bung biegeschlaffer Bauteile, mögliche Fügever-fahren, die eine Reparatur der Batterie ermögli-chen, und auf das umfassende Feld der Mess- und Prüftechnik.

Den nächsten Tagungsblock eröffnete Herr Dem-pewolf von der Wittenstein cyber motor GmbH mit einer detaillierten Diskussion der Design-möglichkeiten von permanenterregten Syn-chronmaschinen im Hinblick auf deren Einsatz im automobilen Antriebsstrang. Herr Wojtynia von der Aumann GmbH stellte anschließend die Herausforderungen der Wickeltechnik als zentra-len Schritt der Elektromotorenproduktion vor und verdeutlichte die Vorteile einer Direktbe-wicklung im Vergleich zu den zurzeit üblichen Einziehwicklungen. Mit einem detaillierten Ein-blick in die Prozesskette zur Produktion von Elektromotoren in einer Manufaktur schloss Herr Dr. Kohnhäuser von der BMW Group die Vor-tragsreihe ab. In der abschließenden Diskussion ergab sich der breite Konsens, dass die benötig-ten Innovationen in der Produktionstechnik nicht von einzelnen Firmen erbracht werden können. Vielmehr sind in dieser Aufbruchsphase branchenübergreifende Kooperationen sowohl zwischen den verschiedenen Industrien als auch zwischen Industrie und Forschung entlang der Wertschöpfungskette nötig, um die vielgestalti-gen Herausforderungen in dem Feld der Produk-tion zu bewältigen. Als Folge wird dies zu einer Umstrukturierung der bestehenden Wertschöp-fungskette führen und bietet somit neue Chan-cen, aber auch Risiken für die beteiligten Zulie-ferindustrien.

Dipl.-Wi.-Ing.Nicole StrickerTätigkeitsfeld: Life-Cycle-Perfor-mance, Zuverlässigkeitsanalyse, RisikomanagementEintrittstermin: 01.10.2011

Dipl.-Ing.Philipp HoppenTätigkeitsfeld: Mikro-FräsenEintrittstermin: 01.09.2011

Dipl.-Ing.Frederic FörsterTätigkeitsfeld: Leichtbaufer-tigung, Prozessverkettung, Maschinen- & Handhabungs-konzepteEintrittstermin: 15.09.2011

M.Sc.Stefan KlotzTätigkeitsfeld: Mechanische Bearbeitung von Composit-werkstoffenEintrittstermin: 15.10.2011

Liebe Freunde und Partner des wbk,

am Ende des Jahres 2011 wenden wir uns wieder an Sie. Vor einigen Tagen konnten wir bei unserer sehr gut besuchten wbk-Herbsttagung einige von Ihnen persönlich begrüßen. Thema waren diesmal „Produktionstechnische Herausforderungen der Elektromobilität“. Dazu konnten wir mit der tradi-tionell guten Mischung aus externen und inter-nen Beiträgen einen guten Überblick über die aktuellen Themen in der Batteriefertigung und der Produktion von Elektromotoren bieten und zugleich die Diskussion zu diesen für uns alle wichtigen Zukunftsthemen voranbringen. Details

hierzu fi nden Sie in einem unserer Beiträge. Dane-ben haben wir Ihnen weitere aktuelle Themen aus dem Institut zusammengestellt, die die große Bandbreite unserer Aktivitäten zeigen. Um nur einen Aspekt herauszugreifen, sei auf einen Bei-trag zum Räumen hingewiesen. Hier sind wir ak-tuell dabei, die klassischen, in der Aufbereitung sehr aufwändigen Räumnadeln durch gebaute, mit Hartmetallwendeschneidplatten bestückte Werkzeuge zu ersetzen und haben dabei große Erfolge in der Produktivität bei der Räumbearbei-tung von Turbinenstahl erzielt. Wir bedanken uns bei Ihnen recht herzlich für das uns entgegengebrachte Vertrauen und versichern

Ihnen, dass wir Ihnen auch in 2012 ein ver-lässlicher Partner sein werden. Ihnen und Ih-ren Familien wünschen wir frohe Weihnachten und ein gesundes und erfolgreiches Jahr 2012.

Viel Freude bei der Lektüre unserer Topics wünscht Ihnen

Ihr wbk-Team

Die wbk-Herbsttagung hat sich als wichtigste jährliche Veranstaltung am wbk etabliert. Dieses Jahr fand sie am 27. Oktober 2011 zum Thema „Produktionstechnische Herausforderungen der Elektromobilität“ statt. Hintergrund für die The-menwahl ist der Wandel in der Mobilität von rein auf Verbrennung basierten Antriebskonzepten hin zu vollelektrischen Fahrzeugen und den da-mit verbundenen Speichertechnologien. Nach einer Einführung in die politischen Rahmenbe-dingungen, wie in die High-Tech-Strategie der Bundesregierung und deren beratende Gremien, durch Frau Prof. Lanza zeigte Herr Dr. Steegmül-ler von der PWT der Daimler AG die Schwierig-keiten der Produktionsforschung auf, indem er die verschiedenen Interessen der Produkt- und Produktionsentwickler in der Hinführung zu ei-ner Serienproduktion darstellte. Das Dilemma der Entwicklung einer Produktionstechnik für unreife Produkte war das Leitthema des Vortrags von Herr Prof. Fleischer. Er legte dar, dass neben der technischen Weiterentwicklung nur durch

Editorial

Herbsttagung

FunkProMikro • Mehrfachspanbildungssimulation • Turbinenräumen • Hydraulische Vorschubachse • KGT • LCP-Betreiberkreis • Shopfl oor-Management • Herbsttagung

Herbsttagung

Neueinstellungen

Promotionen Impressum

wbkInstitut für ProduktionstechnikKarlsruher Institut für Technologie (KIT)Kaiserstr. 12 | 76131 Karlsruhewww.wbk.kit.edu

Redaktion:Andrea Hepfer

Layout:Atelier NardoErsteiner Straße 27 | 68229 Mannheim

Druck:Druckerei SchindlerHertzstraße 10 | 69126 Heidelberg

Betreiberkreis TCO – Partnerschaftlich gestalten • Shopfl oor-Management

engste Integration von Produkt- und Fertigungs-prozessentwicklern ein mit dem herkömmlichen Antriebsstrang vergleichbares Kostenziel er-reicht werden kann.

Die anschließenden Vorträge von Frau Ruprecht vom wbk und Herrn Major von Harro Höfl iger Verpackungsmaschinen zeigten auf, wie techni-sche Lösungen aus ähnlichen Anwendungsge-bieten, so z. B. in der Herstellung von organi-scher Elektronik im Rahmen des EU-Forschungs-projekts Multilayer oder aus dem Feld der Verpackungstechnik, für die Zellproduktion ad-aptiert werden können. Aktuelle Probleme aus der Batteriemontage stellte Herr Dr. Schurer von der Dürr Systems GmbH vor. Neben der Heraus-forderung von fl exiblen Sicherheitskonzepten für die unterschiedlichen Spannungslevel wurden die Grenzen einer auf Roboter basierten Auto-matisierung der einzelnen Montageprozesse dis-kutiert. Die technischen Problemstellungen in diesem Bereich fokussieren sich auf die Handha-

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bung biegeschlaffer Bauteile, mögliche Fügever-fahren, die eine Reparatur der Batterie ermögli-chen, und auf das umfassende Feld der Mess- und

Den nächsten Tagungsblock eröffnete Herr Dem-pewolf von der Wittenstein cyber motor GmbH mit einer detaillierten Diskussion der Design-möglichkeiten von permanenterregten Syn-chronmaschinen im Hinblick auf deren Einsatz

Karlsruher Institut für Technologie

Dr.-Ing. Benjamin Viering„Mikroverzahnungsnormal - eine Methode zur experimentellen Ermittlung der Messunsicher-heit bei Mikroverzahnungen“

Dr.-Ing. Martin Weis„Kompensation systematischer Fehler bei Werk-zeugmaschinen durch self-sensing Aktoren“

Abbildung 1: wbk-Herbsttagung

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Florian Sell-Le BlancTelefon: 0721/608-44014E-Mail: fl orian.sell@kit.edu

Dipl.-Wi.-Ing. Anna SauerTelefon: 0721/608-44297E-Mail: anna.sauer@kit.edu

Die weltweite Wettbewerbsverschärfung zwingt die Unternehmen, ihre Produktivität kontinuierlich zu steigern. Lösungen hierfür stellen die Methoden eines ganzheitlichen Pro-duktionssystems, speziell die Organisation und Standardisierung der Abläufe in der Produktion (Shopfl oor), zur Verfügung.

Erarbeitung und Implementierung eines Shopfl oor-Management Konzepts bei TI Automotive

In einer gemeinschaftlichen Projektarbeit von TI Automotive in Heidelberg und dem wbk wurde zur Erweiterung des ganzheitlichen TI Produktionssystems (TIPS) ein Shopfl oor-Ma-nagement Konzept entwickelt, mit dem Ziel, die Qualität und Produktivität in der Produkti-on zu steigern. Das Shopfl oor-Management Konzept beinhaltet dabei folgende Ansätze: • Gestaltung einer Shopfl oor-Tafel• Aufbau einer regelmäßigen Standardkom-

munikation• Entwicklung eines standardisierten Problem-

lösungsprozesess• Einbindung des Shopfl oor-Management

Konzepts in die tägliche Arbeit

Die Shopfl oor-Tafel ist das Zentrum des Shopfl oor-Management Konzepts. Neun Kenn-zahlenfelder stellen die Informationen aus der Produktion für alle Beteiligten bereit. Mithilfe einer durchgehenden Ampelsystematik wird der aktuelle Produktionstrend der vergange-nen Schichten visualisiert und somit ein schnel-les und gezieltes Eingreifen in die Produktions-abläufe ermöglicht.

Für die tägliche Standardkommunikation werden Treffen der verschiedenen Produkti-onsbereiche an der Shopfl oor-Tafel festgelegt, in welchen die Analyse des Vortags anhand von Kennzahlen, wie Stillstandzeiten oder Aus-schuss, vorgenommen wird. Die Gruppe, beste-hend aus Linienmanager, Anlagenführer und Produktionsleitung, identifi ziert das wichtigste Problem und legt Maßnahmen zur Problemlö-sung fest. Zum Abschluss wird die erfolgreiche Problemlösung des Vortags besprochen. Der entwickelte Problemlösungsprozess hilft TI Au-tomotive, Probleme genau zu analysieren und die Lösung als neuen Standard festzulegen. Die Ergebnisse des Teams werden auf dem Er-gebnisblatt übersichtlich zusammengefasst und an der Shopfl oor-Tafel visualisiert. So ist

die Weitergabe der Informationen nach der Problemlösung gesichert.

Das kontinuierliche Lösen von Problemen steigert die Qualität und reduziert die KostenMittels einer zweistufi gen Schulung zusammen mit den Linienmanagern wurde das Shopfl oor-Management Konzept in der Rohrfertigung von TI Automotive am Standort Heidelberg einge-führt. Die erste Schulung vermittelte hauptsäch-lich das standardisierte Vorgehen zur Problemlö-sung, die Zweite das Thema Regelkommunikation durch Shopfl oorrunden. Aufgrund der messba-ren Erfolge wird das Shopfl oor-Management Konzept nun auch in den nachfolgenden Ferti-gungsschritten, der Coextrusion und der Alumi-nisierung, in Heidelberg zusammen mit dem wbk eingeführt. Der Standort des TI Konzerns in Heidelberg dient darüber hinaus als Leitwerk und Vorbild für das TI-Produktionssystem – TIPS.

Shopfl oor-Management bei einem Automobilzulieferer

sich aus namhaften Firmen der Automobilindu-strie zusammen, die sich schon langjährig mit der Thematik der Lebenszykluskostenbetrach-tung eingesetzter Maschinen und Anlagen be-fassen. Zu den Teilnehmern gehören die Bosch Rexroth AG, die ZF Friedrichshafen AG, die MAN Gruppe und neuerdings auch Deere & Company.

Aktuelle Ergebnisse

Erst kürzlich wurden in einem Treffen mit Her-stellern die aktuellen Herausforderungen und Handlungsbedarfe zur TCO-Thematik erarbei-tet. In diesem Rahmen wurden innerhalb eines Workshops die bilateralen Sichtweisen von Hersteller und Betreiber einander gegenüber-gestellt, wobei sich abzeichnete, dass sich die Zielvorstellungen für die Umsetzung und An-wendung der zukünftigen TCO-Konzepte in großen Bereichen decken. Die größten Heraus-forderungen liegen in der praktikablen Akquise der benötigten Daten und der daraus abgelei-teten belastbaren Prognose der Verfügbar-keitsaussagen mittels der Integration von La-steinfl üssen. Dies lässt sich nur durch eine partnerschaftliche Zusammenarbeit erreichen, um gleichzeitig eine Win-Win-Situation für bei-de Vertragspartner herzustellen. Den skizzier-ten Herausforderungen wird sich der Arbeits-kreis in Zukunft annehmen und mögliche Lösungen erarbeiten.

Um die Investitionsentscheidung bezüglich Maschinen und Anlagen bei produzierenden Unternehmen möglichst transparent und be-lastbar zu gestalten, werden verstärkt Lebens-zyklusmodelle in den Entscheidungsprozess mit eingebunden. Ziel dieser Konzepte ist es, bereits in der Beschaffungsphase Betriebs- und Instandhaltungskosten mit ins Kalkül zu zie-hen. Gerade im Maschinen- und Anlagenbau mit den üblichen Lebenszyklen von bis zu 30 Jahren spielen die Folgekosten nach erfolgter Anschaffung eine immense Rolle. Die Folgekos-ten können sich dabei auf das Drei- bis Vierfa-che der Anschaffungskosten belaufen. Zuneh-mend werden in der Praxis TCO-Modelle (Total Cost of Ownership) in der Praxis eingesetzt, die schon bei Vertragsabschluss Verfügbarkeitsga-

Betreiberkreis TCO – Partnerschaftlich gestalten

Ansprechpartner:Dipl.-Wi.-Ing. Dominic AppelTelefon: 0721/608-44153E-Mail: dominic.appel@kit.edu

rantien beinhalten und durch kooperative Be-ziehungen zwischen Hersteller und Betreiber beidseitig Vorteile generieren sollen. Zur pra-xisnahen Gestaltung und Verbesserung der TCO Konzepte wurde dazu ein Arbeitskreis aus der Industrie heraus gegründet.

HistorieDer „Betreiberkreis TCO“, ein Arbeitskreis zum Thema „Total Cost of Ownership“, wurde ausder Projektarbeit verschiedener Industriepart-ner heraus zusammen mit dem wbk im Jahr 2008 erstmalig einberufen. Initiiert und koordi-niert durch das wbk, fi nden regelmäßige Tref-fen zum themenbezogenen Austausch und zur gezielten Bearbeitung von Fragestellungen zum Thema TCO statt. Der Kreis selbst setzt

Abbildung 1: TCO - Workshop am 14.10.2011 bei der ZF Friedrichshafen AG

Bearbeitungszentrum

Im Rahmen des Verbundprojekts „FunkPro-Mikro“ wurden dem wbk – Institut für Pro-duktionstechnik vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Investitions-mittel für ein 5-Achs- Bearbeitungszentrum der Baureihe NBH630 5X von MAG Hüller Hil-le zur Verfügung gestellt. Diese Werkzeugma-schine ermöglicht die Komplettbearbeitung komplexer Werkstücke und führt somit in ei-ner Aufspannung zu hoher Präzision und Ge-nauigkeit bei niedrigen Kosten.

Für die Bearbeitung komplexer Werkstücke, zum Beispiel bei der Mehrseitenbearbeitung, wird ein Schwenkkopf eingesetzt, welcher di-rekt angetrieben wird und mit einer zusätzli-chen Drehachse, in diesem Fall als Drehtisch ausgeführt, eine simultane 5-Achs-Bearbei-tung ermöglicht. Dies macht das Bearbei-tungszentrum zu einer Allzweckmaschine, um verschiedenste Prozesse im universitären For-schungsumfeld zu untersuchen.

Laserintegration

Zusätzlich zum Aufbau, der bereits vielfältige Be-arbeitungsprozesse ermöglicht, soll in die Werk-zeugmaschine ein Laser integriert werden. Dieser gepulste Laser mit einer besonders kurzen Puls-

dauer im Pikosekundenbereich ermöglicht die Strukturierung von Bauteilen mit einem deutlich geringeren Wärmeeintrag als übliche Lasersyste-me. Damit lassen sich kleinste Strukturen mit Abmessungen von bis zu 10µm erzeugen. Durch die Laserintegration in das Bearbeitungszentrum wird die Möglichkeit geschaffen, große Bauteile mechanisch zu bearbeiten und anschließend klei-ne Strukturen ohne größere Schädigung auf die Oberfl äche zu bringen, um die Funktionalität zu optimieren. Anwendungsbeispiele sind die Bear-beitung und Strukturierung von Kfz-Kurbelwel-lenzapfen, die mit entsprechender Oberfl ächen-strukturierung im Kurbelwellenlager zu geringer Reibung führen. Im Hinblick auf die zunehmende Belastung der Lager im Betrieb, z. B. bei einer Start-Stopp-Automatik, ist es somit möglich, den Verschleiß ohne Auswahl einer neuen Material-paarung zu verringern.

Fertigung von großen Bauteilen mit kleinen Strukturen

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Mateusz ChlipalaTelefon: 0721/608-45290E-Mail: mateusz.chlipala@kit.edu

Schwenkkopf im Arbeitsraum der NBH 630 [Quelle: MAG]

Ansprechpartner:Dipl.-Wirtsch.-Ing. Benjamin BehmannTelefon: 0721/608-46166E-Mail: benjamin.behmann@kit.edu

Topics_2_2011_v9.indd 1 29.11.11 11:10

Eine Vielzahl wichtiger Komponenten mit kom-plexen Geometrien, wie etwa Verzahnteile, wird durch spanende Prozesse gefertigt. Dabei kommen produktive Verfahren mit mehrschnei-digen Werkzeugen zum Einsatz, z. B. das Fräsen oder Räumen. Kennzeichnend für diese Verfah-ren ist ein sequentieller Materialabtrag an der Werkstückoberfläche, welcher den Bauteilzu-stand nach der Bearbeitung erzeugt. Zur simu-lativen Vorhersage des Bearbeitungsergebnis-ses wurde ein Modell entwickelt, welches die Mehrfachspanbildung berücksichtigt und den Einfluss der Prozessparameter untersucht. Als Beispiel dient das Räumen als Teilprozess einer Prozesskette, in der das Demonstrator-Bauteil Schaltmuffe mehrstufig vom Halbzeug zum späteren Bauteil fertig bearbeitet wird. Die Ar-beit ist ein Teilprojekt des Graduiertenkollegs 1483 „Prozessketten in der Fertigung: Wechsel-wirkung, Modellbildung und Bewertung von Prozesszonen“.

Aufbau des Modells

Zunächst werden in einem 2D-Modell für ABAQUS/ Standard zur Simulation der Spanbil-dung ein Teil des Werkstücks und die Werk-zeugschneide abgebildet und mit einem FE-Netz diskretisiert. Zur Beschreibung des Materialverhaltens des Werkstücks steht ein am iam-wk entwickeltes Materialmodell zur Verfügung. Für den Einsatzstahl 20MnCr5 wird die Fließspannung, welche für die Materialtren-nung vor der Schneide entscheidend ist, in Ab-hängigkeit von der Temperatur und der Dehnra-te fortlaufend berechnet. Die Materialtrennung im Werkstück ist mittels einer Neuvernetzung realisiert. Eine Validierung des Modells erfolgt anhand einer Gegenüberstellung von Zer-spankräften, Prozesstemperaturen und Eigen-spannungen zwischen Simulationsergebnissen und experimentell ermittelten Daten. Der loka-

le Bauteilzustand ist somit im De-tail und mit hoher Auflösung er-mittelbar. Zur Simulation der sequentiellen Zerspanung durch mehrere Werkzeugschneiden wer-den einzelne Simulationsläufe hintereinander gekoppelt, siehe Abbildung 1. Nach einer Spanbil-dungssimulation folgt ein weite-rer Simulationsschritt, welcher die Teilung im Werkzeug, d.h. den Ab-stand zwischen zwei aufeinander-folgenden Werkzeugschneiden, berücksichtigt. Aus diesem Ab-stand und der Schnittgeschwin-digkeit ergibt sich ein Zeitraum, in dem das Werkstückmodell me-chanisch unbelastet ist. Und zwar so lange, bis die folgende Schnei-de den im Modell betrachteten Bauteilausschnitt zerspanen wür-

de. Anschließend an die Zerspanung durch eine einzelne Schneide wird der Bauteilzustand aus dem Werkstückmodell extrahiert.. Dabei wird der Bauteilzustand nach der Zerspanung durch eine Schneide aus dem Werkstückmodell extra-hiert. Zur Beschreibung des Bauteilzustands werden Tiefenverläufe der Spannungskompo-nenten, der plastischen Dehnung sowie der Temperatur automatisch aus dem Werkstück-modell ausgelesen.

Für die Zerspanung durch die folgende Schnei-de wird dieser Zustand auf ein unbearbeitetes Werkstückmodell als vordefinierten Anfangszu-stand übertragen. Die Simulationssequenz kann theoretisch beliebig oft wiederholt wer-den, wobei die Anzahl der simulierten Schnei-den durch die erforderliche Rechenzeit be-grenzt ist. Simulationen von fünf bis zehn

Zähnen sind dabei problemlos durchführbar. Der Einfluss der sequentiellen Zerspanung sowie der Einfluss von Prozessparame-tern, wie etwa der Schnittge-schwindigkeit, der Spanungsdi-cke oder der Schneidkanten- verrundung auf den Bauteil- zustand, werden mit dem Simulationsmodell untersucht. Durch eine Variation des An-fangszustands des Bauteils kann ebenfalls die Auswirkung vorgeschalteter Teilprozesse in der Prozesskette ermittelt wer-den.

ErgebnisseIm Rahmen einer Simulations-studie zur Variation der Pro-zessparameter wird der Einfluss der sequentiellen Zerspanung untersucht. Abbildung 2 zeigt dazu in Schnittrichtung die Ei-genspannungen im Bauteil nach der Bearbeitung durch fünf Werkzeugschneiden. Der

Einfluss der sequentiellen Zerspanung zeigt sich deutlich in den unterschiedlichen Zugei-genspannungen an der Oberfläche und in der oberflächennahen Randschicht. Zudem be-wirkt eine zunehmende Anzahl an Schneiden eine Verschiebung der Zugeigenspannung hin zu tieferen Bauteiltiefen.

Mit dem Modell wird eine Methode zur Vor-hersage des Bauteilzustands für Fertigungs-prozesse mit vielschneidigen Werkzeugen ent-wickelt.

DFG-Schwerpunktprogramm 1476 – „Kleine Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke“ (SPP 1476):

Mikrozerspanungsmaschinen sind häufig aus der Makrowelt abgeleitete Derivate und aus bekann-ten Komponenten und Kinematiken aufgebaut. Daher weisen sie, bezogen auf die auf ihnen her-gestellten kleinen Werkstücke, einen hohen Res-sourcenverbrauch bei der Herstellung der Maschi-ne und einen hohen Energiebedarf im Betrieb auf. So erfordern diese Maschinen beispielsweise eine große Aufstellfläche sowie hohe Antriebsleistun-gen aufgrund der hohen bewegten Massen. Des-wegen sollen im SPP 1476 speziell für den Mikro-bereich angepasste, wandlungsfähige Werkzeug- maschinen entwickelt werden, die durch eine gesteigerte Funktionsintegration den Einsatz neu-er kinematischer Ketten und durch Miniaturisie-rung die ökonomischen und ökologischen Nach-teile überwinden.

Projekte am Karlsruher Institut für Technologie:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden drei Projekte am KIT bearbeitet, die das Ziel haben, ein funktional hochintegriertes kompaktes und präzi-ses Vorschubmodul zu entwickeln. Dieses Vor-schubmodul besteht aus einer Parallelkinematik (Institut für Technische Mechanik), einem Mess-system mit Millimeterwellen Radar- Sensorik (Ins-titut für Hochfrequenztechnik und Elektronik) und zwei Piezo-Hydraulischen Vorschubachsen (wbk).

Piezo-Hydraulische Vorschubachse:

Die Piezo-Hydraulische Vorschubachse des wbk besteht aus einem feststehenden Kolben und ei-nem beweglichen Kolbengehäuse, an welchem außen hydrostatisch-prismatische Führungen mit sehr guten Dämpfungseigenschaften angebracht

sind. Die Piezo-Regelventile sollen aufgrund der angestrebten Dynamik direkt in die feststehende Kolbenstange integriert werden, um stehende Öl-Säulen zu reduzieren. Die Vorschubachse ist in ei-nem Funktionsprototyp umgesetzt und soll im weiteren Projektverlauf messtechnisch charakte-risiert werden. Aufbauend auf den Messergebnis-sen, folgt ein Abgleich mit den erstellten Simulink Simulationsmodellen. Abschließend folgt eine Bauraumoptimierung. Parallel hierzu wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Entwicklung miniaturi-sierter mechatronischer Komponenten abgeleitet, der auf Basis bestehender Methoden weiter erar-beitet sowie anhand der gewonnenen Ergebnisse qualifiziert und quantifiziert werden soll.

Piezo-Hydraulische Vorschubachse

Die Schlüsselkomponente einer Gasturbine sind die sogenannten Turbinenscheiben, an welche im Verdichter die Flügel zur Kompression und in der Turbine die Schaufeln zur Nutzung der Energie des expandierenden Gases angebracht sind. Die Bearbeitung dieser sogenannten Tannenbaum- bzw. Schwalbenschwanzprofile findet durch das Räumen mit HSS-Werkzeugen statt. Um die Pro-duktivität und die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge zu erhöhen, entwickelt das wbk zu-sammen mit der Firma Hoffmann Räumtechnik aus Pforzheim ein neues Werkzeugkonzept, wel-ches aus Werkzeugen mit Hartmetall-Wende-schneidplatten besteht. Das Hauptziel dieses Pro-jekts liegt darin, die prozessbestimmenden Parameter zu untersuchen, um die Räumtechno-logie zur Fertigung der Turbinenscheiben zu opti-mieren.

Vorteile des Werkzeugkonzepts

Durch dieses neue Werkzeugkonzept sollen deut-lich höhere Standwege erzielt werden, als dies bisher mit HSS-Werkzeugen der Fall war. Hierbei ist auf geeignete Prozessparameter und eine aus-reichende Festigkeit und Zähigkeit des Substrats zu achten, da das spröde Hartmetall im Vergleich zum HSS deutlich stärker zum Ausbrechen einzel-ner Schneidkantenbereiche neigt. Das neue Werk-zeugkonzept ermöglicht außerdem bei Erreichen

der Verschleißgrenze oder einem Schneidkanten-bruch ein einfaches Tauschen der Schneiden, da diese auf einen Werkzeugträger aufgeschraubt sind. Durch die deutlich höhere Leistungsfähig-keit des Hartmetalls im Vergleich zu den HSS-Werkzeugen können auch wesentlich höhere Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten gefah-ren werden, was zu einer deutlichen höheren Produktivität führt.

Experimentelle Untersuchungen

Um die Auswirkungen der relevanten Prozessgrö-ßen auf den Räumprozess zu untersuchen, wird eine Reihe von Parametern variiert. Als wichtigste Einflussgrößen haben sich neben der Spannungs-dicke und der Schnittgeschwindigkeit das Subst-rat und die Beschichtung der Wendeschneidplatte sowie die Mikrogeometrie der Schneidkante her-ausgestellt. Diese Größen wurden im Hinblick auf die Standzeit, Schnittkräfte und Oberflächenqua-lität untersucht. Nach mehreren Optimierungs-stufen konnte gezeigt werden, dass dieses Werk-zeugkonzept deutliche Steigerungen bei der Verschleißbeständigkeit und der Bearbeitungszeit ermöglicht. Die Standzeit im Vergleich zu den HSS-Werkzeugen konnten um den Faktor 6, die Schnittgeschwindigkeit um den Faktor 3 und der Vorschub um den Faktor 5 gesteigert werden.

Räumen von Scheiben aus Turbinenstahl mit Hartmetall-Wendeschneidplatten

Räumen von Scheiben aus Turbinenstahl • Piezo-Hydraulische Vorschubachse Systemlösungen für ressourceneffiziente Kugelgewindetriebe

Abbildung 2: Einfluss der Mehrfachspanbildung

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Julius OsterriedTelefon: 0721/608-45906E-Mail: julius.osterried@kit.edu

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Daniel BertschTelefon: 0721/608-42447E-Mail: daniel.bertsch@kit.edu

Abbildung 1: Turbinenräummaschine [Foto: Hoffmann Räumtechnik GmbH]

Abbildung 1: Funktionsprototyp der Vorschubachse

Abbildung 2: Piezo-Hydraulische Vorschubachse

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Jörg BauerTelefon: 0721/608-46019E-Mail: joerg.bauer@kit.edu

Simulation der sequentiellen Zerspanung

Simulation der sequentiellen Zerspanung

Abbildung 1: Sequentielle Zerspanungssimulation

Kugelgewindetriebe zählen als Maschinenele-ment zu den Wälzschraubtrieben mit Kugelnals Wälzkörpern. Eine Hauptanwendung der Kugelgewindetriebe sind Werkzeugmaschi-nen, in denen Werkstück- bzw. Werkzeugträ-ger positioniert werden. Gründe, die im Be-trieb für den Einsatz von Kugelgewindetrieben sprechen, sind der sehr hohe Wirkungsgrad (> 90 %), die gut beherrschbare spielfreie Einstel-lung, die geringe Erwärmung sowie die gerin-gen Längenänderungen bei Erwärmung. Ob-wohl der geringe Verschleiß grundsätzlich als Vorteil gilt, ist festzustellen, dass Ausfälle in-folge von defekten Maschinenachsen oft hohe Ausfallzeiten und -kosten der Maschine nach sich ziehen. Erfahrungen und Anmerkungen in aktuell laufenden Forschungsprojekten mit In-dustriepartnern zeigen, dass eine leistungsfä-hige Zustandsdiagnose und -prognose der Ku-gelgewindetriebe sowohl aufseiten der Komponentenhersteller als auch der Anwen-der als dringend erforderlich angesehen wer-den. Dieser Bedarf begründet sich insbesonde-re in den hohen Ausfallkosten infolge des Austauschs eines Kugelgewindetriebs bei ei-nem reaktiven Instandhaltungseinsatz.

Inline-Messtechnik zur Zustandsdiagnose und –prognose von Kugelgewindetrieben,Getrieben und Lagern (INDIKU)

Im INDIKU Projekt wird die Zustandsüberwa-chung (Condition Monitoring) von Kugelge-winde- und anderen Getrieben untersucht. Durch die Auswertung und Fusion von Körper-schall-, Motorstrom- sowie eventuell weiteren Daten soll der aktuelle Zustand – insbesonde-re im Sinne der verbleibenden Lebensdauer der Komponenten – prognostiziert werden. Diese Prognose kann dann zur Optimierung

von Wartungszyklen und Vermeidung von Reparaturen einge-setzt werden. Auf der einen Seite sollen hierzu die vorhande-nen eigenen Vorarbei-ten im Bereich der Zu-standsprognosealgo-rithmen optimiert und um verschiedene As-pekte erweitert wer-den. Auf der anderen Seite soll eine entspre-chende Messeinheit neu entwickelt wer-den, mit der die draht-lose Aufnahme und Verarbeitung der ent-sprechenden Daten möglich ist. Durch die drahtlose Ausführung soll diese Einheit eine Installation in Werk-zeugmaschinen mit beweglichen Teilen sowie auch eine einfache nachträgliche Installation

in bereits im Betrieb befindliche Anlagen er-möglichen. Im aktuellen Stand der Technik wird im angestrebten Bereich bisher kein Con-dition Monitoring eingesetzt und eine entspre-chende Einheit ist am Markt nicht erhältlich. Somit ist eine komplette Neuentwicklung nö-tig, die einen vergleichsweise großen Aufwand darstellt.

Im Projekt ist es daher das Ziel, durch die Ko-operation eines Systemanbieters (Elovis) mit zwei Instituten am KIT (wbk, ITIV) sowie Part-

nern auf der Anwenderseite (elumatec, DESCH) gemeinsam eine entsprechende Lösung aus-zuarbeiten. In Abbildung 1 ist der bisherige Prototyp des Prognosetools dargestellt.

Adaptronischer KGT

Eine weitere Aktivität im Bereich der Kugel-gewindetriebe stellt der neuartige adaptroni-sche Kugelgewindetrieb dar. Verschleißbe-dingt lässt die Vorspannung eines KGT über die Einsatzdauer in Werkzeugmaschinen er-heblich nach, was Maschinenachsen unter anderem zum Schwingen anregen und somit das Bearbeitungsergebnis deutlich herabset-zen kann. Hierzu werden derzeit am wbk ak-tive Kompensationssysteme erarbeitet, die auf Basis piezoelektrischer Wandler die KGT-Vorspannung nachregeln. Um diese Systeme möglichst kosten- und bauraumeffizient aus-zuführen, werden piezoelektrische Self-sen-sing-Aktoren eingesetzt, die zeitsimultan so-wohl sensorische als auch aktorische Auf- gaben in einer Komponente erfüllen können. Um auch langsam voranschreitend Ver-schleißerscheinungen aufnehmen zu können, wird bei den neuartigen Self-sensing-Aktoren die Veränderung des elektrischen Wandler-leitwerts unter aktorischem Einfluss genutzt. Das dazu erforderliche mechanische und elektronische Verständnis für die Wandler soll in dem in Abbildung 2 dargestellten Ver-suchsstand erforscht und die optimalen Be-triebsparameter abgeleitet werden.

Systemlösungen für ressourceneffiziente Kugelgewindetriebe

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Stefan HerderTelefon: 0721/608-42449E-Mail: stefan.herder@kit.edu

Dipl.-Ing. Heiko HennrichTelefon: 0721/608-46022E-Mail: heiko.hennrich@kit.edu

Abbildung 1: Prototyp Prognosetool

Abbildung 2: Adaptronischer KGT

Referenz Messsystem

Feststehendes Gehäuse der Vorschubachse

Bewegliches Kolbengehäuse

Hydrostatische Führung Drucktaschen (Prisma)

Ventiltechnik (Piezo-Proportional-Sitzventile)

Integriertes Messsystem

Feststehende Kolbenstange

Kolbendeckel

Topics_2_2011_v9.indd 2 29.11.11 11:11

Eine Vielzahl wichtiger Komponenten mit kom-plexen Geometrien, wie etwa Verzahnteile, wird durch spanende Prozesse gefertigt. Dabei kommen produktive Verfahren mit mehrschnei-digen Werkzeugen zum Einsatz, z. B. das Fräsen oder Räumen. Kennzeichnend für diese Verfah-ren ist ein sequentieller Materialabtrag an der Werkstückoberfläche, welcher den Bauteilzu-stand nach der Bearbeitung erzeugt. Zur simu-lativen Vorhersage des Bearbeitungsergebnis-ses wurde ein Modell entwickelt, welches die Mehrfachspanbildung berücksichtigt und den Einfluss der Prozessparameter untersucht. Als Beispiel dient das Räumen als Teilprozess einer Prozesskette, in der das Demonstrator-Bauteil Schaltmuffe mehrstufig vom Halbzeug zum späteren Bauteil fertig bearbeitet wird. Die Ar-beit ist ein Teilprojekt des Graduiertenkollegs 1483 „Prozessketten in der Fertigung: Wechsel-wirkung, Modellbildung und Bewertung von Prozesszonen“.

Aufbau des Modells

Zunächst werden in einem 2D-Modell für ABAQUS/ Standard zur Simulation der Spanbil-dung ein Teil des Werkstücks und die Werk-zeugschneide abgebildet und mit einem FE-Netz diskretisiert. Zur Beschreibung des Materialverhaltens des Werkstücks steht ein am iam-wk entwickeltes Materialmodell zur Verfügung. Für den Einsatzstahl 20MnCr5 wird die Fließspannung, welche für die Materialtren-nung vor der Schneide entscheidend ist, in Ab-hängigkeit von der Temperatur und der Dehnra-te fortlaufend berechnet. Die Materialtrennung im Werkstück ist mittels einer Neuvernetzung realisiert. Eine Validierung des Modells erfolgt anhand einer Gegenüberstellung von Zer-spankräften, Prozesstemperaturen und Eigen-spannungen zwischen Simulationsergebnissen und experimentell ermittelten Daten. Der loka-

le Bauteilzustand ist somit im De-tail und mit hoher Auflösung er-mittelbar. Zur Simulation der sequentiellen Zerspanung durch mehrere Werkzeugschneiden wer-den einzelne Simulationsläufe hintereinander gekoppelt, siehe Abbildung 1. Nach einer Spanbil-dungssimulation folgt ein weite-rer Simulationsschritt, welcher die Teilung im Werkzeug, d.h. den Ab-stand zwischen zwei aufeinander-folgenden Werkzeugschneiden, berücksichtigt. Aus diesem Ab-stand und der Schnittgeschwin-digkeit ergibt sich ein Zeitraum, in dem das Werkstückmodell me-chanisch unbelastet ist. Und zwar so lange, bis die folgende Schnei-de den im Modell betrachteten Bauteilausschnitt zerspanen wür-

de. Anschließend an die Zerspanung durch eine einzelne Schneide wird der Bauteilzustand aus dem Werkstückmodell extrahiert.. Dabei wird der Bauteilzustand nach der Zerspanung durch eine Schneide aus dem Werkstückmodell extra-hiert. Zur Beschreibung des Bauteilzustands werden Tiefenverläufe der Spannungskompo-nenten, der plastischen Dehnung sowie der Temperatur automatisch aus dem Werkstück-modell ausgelesen.

Für die Zerspanung durch die folgende Schnei-de wird dieser Zustand auf ein unbearbeitetes Werkstückmodell als vordefinierten Anfangszu-stand übertragen. Die Simulationssequenz kann theoretisch beliebig oft wiederholt wer-den, wobei die Anzahl der simulierten Schnei-den durch die erforderliche Rechenzeit be-grenzt ist. Simulationen von fünf bis zehn

Zähnen sind dabei problemlos durchführbar. Der Einfluss der sequentiellen Zerspanung sowie der Einfluss von Prozessparame-tern, wie etwa der Schnittge-schwindigkeit, der Spanungsdi-cke oder der Schneidkanten- verrundung auf den Bauteil- zustand, werden mit dem Simulationsmodell untersucht. Durch eine Variation des An-fangszustands des Bauteils kann ebenfalls die Auswirkung vorgeschalteter Teilprozesse in der Prozesskette ermittelt wer-den.

ErgebnisseIm Rahmen einer Simulations-studie zur Variation der Pro-zessparameter wird der Einfluss der sequentiellen Zerspanung untersucht. Abbildung 2 zeigt dazu in Schnittrichtung die Ei-genspannungen im Bauteil nach der Bearbeitung durch fünf Werkzeugschneiden. Der

Einfluss der sequentiellen Zerspanung zeigt sich deutlich in den unterschiedlichen Zugei-genspannungen an der Oberfläche und in der oberflächennahen Randschicht. Zudem be-wirkt eine zunehmende Anzahl an Schneiden eine Verschiebung der Zugeigenspannung hin zu tieferen Bauteiltiefen.

Mit dem Modell wird eine Methode zur Vor-hersage des Bauteilzustands für Fertigungs-prozesse mit vielschneidigen Werkzeugen ent-wickelt.

DFG-Schwerpunktprogramm 1476 – „Kleine Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke“ (SPP 1476):

Mikrozerspanungsmaschinen sind häufig aus der Makrowelt abgeleitete Derivate und aus bekann-ten Komponenten und Kinematiken aufgebaut. Daher weisen sie, bezogen auf die auf ihnen her-gestellten kleinen Werkstücke, einen hohen Res-sourcenverbrauch bei der Herstellung der Maschi-ne und einen hohen Energiebedarf im Betrieb auf. So erfordern diese Maschinen beispielsweise eine große Aufstellfläche sowie hohe Antriebsleistun-gen aufgrund der hohen bewegten Massen. Des-wegen sollen im SPP 1476 speziell für den Mikro-bereich angepasste, wandlungsfähige Werkzeug- maschinen entwickelt werden, die durch eine gesteigerte Funktionsintegration den Einsatz neu-er kinematischer Ketten und durch Miniaturisie-rung die ökonomischen und ökologischen Nach-teile überwinden.

Projekte am Karlsruher Institut für Technologie:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden drei Projekte am KIT bearbeitet, die das Ziel haben, ein funktional hochintegriertes kompaktes und präzi-ses Vorschubmodul zu entwickeln. Dieses Vor-schubmodul besteht aus einer Parallelkinematik (Institut für Technische Mechanik), einem Mess-system mit Millimeterwellen Radar- Sensorik (Ins-titut für Hochfrequenztechnik und Elektronik) und zwei Piezo-Hydraulischen Vorschubachsen (wbk).

Piezo-Hydraulische Vorschubachse:

Die Piezo-Hydraulische Vorschubachse des wbk besteht aus einem feststehenden Kolben und ei-nem beweglichen Kolbengehäuse, an welchem außen hydrostatisch-prismatische Führungen mit sehr guten Dämpfungseigenschaften angebracht

sind. Die Piezo-Regelventile sollen aufgrund der angestrebten Dynamik direkt in die feststehende Kolbenstange integriert werden, um stehende Öl-Säulen zu reduzieren. Die Vorschubachse ist in ei-nem Funktionsprototyp umgesetzt und soll im weiteren Projektverlauf messtechnisch charakte-risiert werden. Aufbauend auf den Messergebnis-sen, folgt ein Abgleich mit den erstellten Simulink Simulationsmodellen. Abschließend folgt eine Bauraumoptimierung. Parallel hierzu wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Entwicklung miniaturi-sierter mechatronischer Komponenten abgeleitet, der auf Basis bestehender Methoden weiter erar-beitet sowie anhand der gewonnenen Ergebnisse qualifiziert und quantifiziert werden soll.

Piezo-Hydraulische Vorschubachse

Die Schlüsselkomponente einer Gasturbine sind die sogenannten Turbinenscheiben, an welche im Verdichter die Flügel zur Kompression und in der Turbine die Schaufeln zur Nutzung der Energie des expandierenden Gases angebracht sind. Die Bearbeitung dieser sogenannten Tannenbaum- bzw. Schwalbenschwanzprofile findet durch das Räumen mit HSS-Werkzeugen statt. Um die Pro-duktivität und die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge zu erhöhen, entwickelt das wbk zu-sammen mit der Firma Hoffmann Räumtechnik aus Pforzheim ein neues Werkzeugkonzept, wel-ches aus Werkzeugen mit Hartmetall-Wende-schneidplatten besteht. Das Hauptziel dieses Pro-jekts liegt darin, die prozessbestimmenden Parameter zu untersuchen, um die Räumtechno-logie zur Fertigung der Turbinenscheiben zu opti-mieren.

Vorteile des Werkzeugkonzepts

Durch dieses neue Werkzeugkonzept sollen deut-lich höhere Standwege erzielt werden, als dies bisher mit HSS-Werkzeugen der Fall war. Hierbei ist auf geeignete Prozessparameter und eine aus-reichende Festigkeit und Zähigkeit des Substrats zu achten, da das spröde Hartmetall im Vergleich zum HSS deutlich stärker zum Ausbrechen einzel-ner Schneidkantenbereiche neigt. Das neue Werk-zeugkonzept ermöglicht außerdem bei Erreichen

der Verschleißgrenze oder einem Schneidkanten-bruch ein einfaches Tauschen der Schneiden, da diese auf einen Werkzeugträger aufgeschraubt sind. Durch die deutlich höhere Leistungsfähig-keit des Hartmetalls im Vergleich zu den HSS-Werkzeugen können auch wesentlich höhere Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten gefah-ren werden, was zu einer deutlichen höheren Produktivität führt.

Experimentelle Untersuchungen

Um die Auswirkungen der relevanten Prozessgrö-ßen auf den Räumprozess zu untersuchen, wird eine Reihe von Parametern variiert. Als wichtigste Einflussgrößen haben sich neben der Spannungs-dicke und der Schnittgeschwindigkeit das Subst-rat und die Beschichtung der Wendeschneidplatte sowie die Mikrogeometrie der Schneidkante her-ausgestellt. Diese Größen wurden im Hinblick auf die Standzeit, Schnittkräfte und Oberflächenqua-lität untersucht. Nach mehreren Optimierungs-stufen konnte gezeigt werden, dass dieses Werk-zeugkonzept deutliche Steigerungen bei der Verschleißbeständigkeit und der Bearbeitungszeit ermöglicht. Die Standzeit im Vergleich zu den HSS-Werkzeugen konnten um den Faktor 6, die Schnittgeschwindigkeit um den Faktor 3 und der Vorschub um den Faktor 5 gesteigert werden.

Räumen von Scheiben aus Turbinenstahl mit Hartmetall-Wendeschneidplatten

Räumen von Scheiben aus Turbinenstahl • Piezo-Hydraulische Vorschubachse Systemlösungen für ressourceneffiziente Kugelgewindetriebe

Abbildung 2: Einfluss der Mehrfachspanbildung

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Julius OsterriedTelefon: 0721/608-45906E-Mail: julius.osterried@kit.edu

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Daniel BertschTelefon: 0721/608-42447E-Mail: daniel.bertsch@kit.edu

Abbildung 1: Turbinenräummaschine [Foto: Hoffmann Räumtechnik GmbH]

Abbildung 1: Funktionsprototyp der Vorschubachse

Abbildung 2: Piezo-Hydraulische Vorschubachse

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Jörg BauerTelefon: 0721/608-46019E-Mail: joerg.bauer@kit.edu

Simulation der sequentiellen Zerspanung

Simulation der sequentiellen Zerspanung

Abbildung 1: Sequentielle Zerspanungssimulation

Kugelgewindetriebe zählen als Maschinenele-ment zu den Wälzschraubtrieben mit Kugelnals Wälzkörpern. Eine Hauptanwendung der Kugelgewindetriebe sind Werkzeugmaschi-nen, in denen Werkstück- bzw. Werkzeugträ-ger positioniert werden. Gründe, die im Be-trieb für den Einsatz von Kugelgewindetrieben sprechen, sind der sehr hohe Wirkungsgrad (> 90 %), die gut beherrschbare spielfreie Einstel-lung, die geringe Erwärmung sowie die gerin-gen Längenänderungen bei Erwärmung. Ob-wohl der geringe Verschleiß grundsätzlich als Vorteil gilt, ist festzustellen, dass Ausfälle in-folge von defekten Maschinenachsen oft hohe Ausfallzeiten und -kosten der Maschine nach sich ziehen. Erfahrungen und Anmerkungen in aktuell laufenden Forschungsprojekten mit In-dustriepartnern zeigen, dass eine leistungsfä-hige Zustandsdiagnose und -prognose der Ku-gelgewindetriebe sowohl aufseiten der Komponentenhersteller als auch der Anwen-der als dringend erforderlich angesehen wer-den. Dieser Bedarf begründet sich insbesonde-re in den hohen Ausfallkosten infolge des Austauschs eines Kugelgewindetriebs bei ei-nem reaktiven Instandhaltungseinsatz.

Inline-Messtechnik zur Zustandsdiagnose und –prognose von Kugelgewindetrieben,Getrieben und Lagern (INDIKU)

Im INDIKU Projekt wird die Zustandsüberwa-chung (Condition Monitoring) von Kugelge-winde- und anderen Getrieben untersucht. Durch die Auswertung und Fusion von Körper-schall-, Motorstrom- sowie eventuell weiteren Daten soll der aktuelle Zustand – insbesonde-re im Sinne der verbleibenden Lebensdauer der Komponenten – prognostiziert werden. Diese Prognose kann dann zur Optimierung

von Wartungszyklen und Vermeidung von Reparaturen einge-setzt werden. Auf der einen Seite sollen hierzu die vorhande-nen eigenen Vorarbei-ten im Bereich der Zu-standsprognosealgo-rithmen optimiert und um verschiedene As-pekte erweitert wer-den. Auf der anderen Seite soll eine entspre-chende Messeinheit neu entwickelt wer-den, mit der die draht-lose Aufnahme und Verarbeitung der ent-sprechenden Daten möglich ist. Durch die drahtlose Ausführung soll diese Einheit eine Installation in Werk-zeugmaschinen mit beweglichen Teilen sowie auch eine einfache nachträgliche Installation

in bereits im Betrieb befindliche Anlagen er-möglichen. Im aktuellen Stand der Technik wird im angestrebten Bereich bisher kein Con-dition Monitoring eingesetzt und eine entspre-chende Einheit ist am Markt nicht erhältlich. Somit ist eine komplette Neuentwicklung nö-tig, die einen vergleichsweise großen Aufwand darstellt.

Im Projekt ist es daher das Ziel, durch die Ko-operation eines Systemanbieters (Elovis) mit zwei Instituten am KIT (wbk, ITIV) sowie Part-

nern auf der Anwenderseite (elumatec, DESCH) gemeinsam eine entsprechende Lösung aus-zuarbeiten. In Abbildung 1 ist der bisherige Prototyp des Prognosetools dargestellt.

Adaptronischer KGT

Eine weitere Aktivität im Bereich der Kugel-gewindetriebe stellt der neuartige adaptroni-sche Kugelgewindetrieb dar. Verschleißbe-dingt lässt die Vorspannung eines KGT über die Einsatzdauer in Werkzeugmaschinen er-heblich nach, was Maschinenachsen unter anderem zum Schwingen anregen und somit das Bearbeitungsergebnis deutlich herabset-zen kann. Hierzu werden derzeit am wbk ak-tive Kompensationssysteme erarbeitet, die auf Basis piezoelektrischer Wandler die KGT-Vorspannung nachregeln. Um diese Systeme möglichst kosten- und bauraumeffizient aus-zuführen, werden piezoelektrische Self-sen-sing-Aktoren eingesetzt, die zeitsimultan so-wohl sensorische als auch aktorische Auf- gaben in einer Komponente erfüllen können. Um auch langsam voranschreitend Ver-schleißerscheinungen aufnehmen zu können, wird bei den neuartigen Self-sensing-Aktoren die Veränderung des elektrischen Wandler-leitwerts unter aktorischem Einfluss genutzt. Das dazu erforderliche mechanische und elektronische Verständnis für die Wandler soll in dem in Abbildung 2 dargestellten Ver-suchsstand erforscht und die optimalen Be-triebsparameter abgeleitet werden.

Systemlösungen für ressourceneffiziente Kugelgewindetriebe

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Stefan HerderTelefon: 0721/608-42449E-Mail: stefan.herder@kit.edu

Dipl.-Ing. Heiko HennrichTelefon: 0721/608-46022E-Mail: heiko.hennrich@kit.edu

Abbildung 1: Prototyp Prognosetool

Abbildung 2: Adaptronischer KGT

Referenz Messsystem

Feststehendes Gehäuse der Vorschubachse

Bewegliches Kolbengehäuse

Hydrostatische Führung Drucktaschen (Prisma)

Ventiltechnik (Piezo-Proportional-Sitzventile)

Integriertes Messsystem

Feststehende Kolbenstange

Kolbendeckel

Topics_2_2011_v9.indd 2 29.11.11 11:11

Eine Vielzahl wichtiger Komponenten mit kom-plexen Geometrien, wie etwa Verzahnteile, wird durch spanende Prozesse gefertigt. Dabei kommen produktive Verfahren mit mehrschnei-digen Werkzeugen zum Einsatz, z. B. das Fräsen oder Räumen. Kennzeichnend für diese Verfah-ren ist ein sequentieller Materialabtrag an der Werkstückoberfläche, welcher den Bauteilzu-stand nach der Bearbeitung erzeugt. Zur simu-lativen Vorhersage des Bearbeitungsergebnis-ses wurde ein Modell entwickelt, welches die Mehrfachspanbildung berücksichtigt und den Einfluss der Prozessparameter untersucht. Als Beispiel dient das Räumen als Teilprozess einer Prozesskette, in der das Demonstrator-Bauteil Schaltmuffe mehrstufig vom Halbzeug zum späteren Bauteil fertig bearbeitet wird. Die Ar-beit ist ein Teilprojekt des Graduiertenkollegs 1483 „Prozessketten in der Fertigung: Wechsel-wirkung, Modellbildung und Bewertung von Prozesszonen“.

Aufbau des Modells

Zunächst werden in einem 2D-Modell für ABAQUS/ Standard zur Simulation der Spanbil-dung ein Teil des Werkstücks und die Werk-zeugschneide abgebildet und mit einem FE-Netz diskretisiert. Zur Beschreibung des Materialverhaltens des Werkstücks steht ein am iam-wk entwickeltes Materialmodell zur Verfügung. Für den Einsatzstahl 20MnCr5 wird die Fließspannung, welche für die Materialtren-nung vor der Schneide entscheidend ist, in Ab-hängigkeit von der Temperatur und der Dehnra-te fortlaufend berechnet. Die Materialtrennung im Werkstück ist mittels einer Neuvernetzung realisiert. Eine Validierung des Modells erfolgt anhand einer Gegenüberstellung von Zer-spankräften, Prozesstemperaturen und Eigen-spannungen zwischen Simulationsergebnissen und experimentell ermittelten Daten. Der loka-

le Bauteilzustand ist somit im De-tail und mit hoher Auflösung er-mittelbar. Zur Simulation der sequentiellen Zerspanung durch mehrere Werkzeugschneiden wer-den einzelne Simulationsläufe hintereinander gekoppelt, siehe Abbildung 1. Nach einer Spanbil-dungssimulation folgt ein weite-rer Simulationsschritt, welcher die Teilung im Werkzeug, d.h. den Ab-stand zwischen zwei aufeinander-folgenden Werkzeugschneiden, berücksichtigt. Aus diesem Ab-stand und der Schnittgeschwin-digkeit ergibt sich ein Zeitraum, in dem das Werkstückmodell me-chanisch unbelastet ist. Und zwar so lange, bis die folgende Schnei-de den im Modell betrachteten Bauteilausschnitt zerspanen wür-

de. Anschließend an die Zerspanung durch eine einzelne Schneide wird der Bauteilzustand aus dem Werkstückmodell extrahiert.. Dabei wird der Bauteilzustand nach der Zerspanung durch eine Schneide aus dem Werkstückmodell extra-hiert. Zur Beschreibung des Bauteilzustands werden Tiefenverläufe der Spannungskompo-nenten, der plastischen Dehnung sowie der Temperatur automatisch aus dem Werkstück-modell ausgelesen.

Für die Zerspanung durch die folgende Schnei-de wird dieser Zustand auf ein unbearbeitetes Werkstückmodell als vordefinierten Anfangszu-stand übertragen. Die Simulationssequenz kann theoretisch beliebig oft wiederholt wer-den, wobei die Anzahl der simulierten Schnei-den durch die erforderliche Rechenzeit be-grenzt ist. Simulationen von fünf bis zehn

Zähnen sind dabei problemlos durchführbar. Der Einfluss der sequentiellen Zerspanung sowie der Einfluss von Prozessparame-tern, wie etwa der Schnittge-schwindigkeit, der Spanungsdi-cke oder der Schneidkanten- verrundung auf den Bauteil- zustand, werden mit dem Simulationsmodell untersucht. Durch eine Variation des An-fangszustands des Bauteils kann ebenfalls die Auswirkung vorgeschalteter Teilprozesse in der Prozesskette ermittelt wer-den.

ErgebnisseIm Rahmen einer Simulations-studie zur Variation der Pro-zessparameter wird der Einfluss der sequentiellen Zerspanung untersucht. Abbildung 2 zeigt dazu in Schnittrichtung die Ei-genspannungen im Bauteil nach der Bearbeitung durch fünf Werkzeugschneiden. Der

Einfluss der sequentiellen Zerspanung zeigt sich deutlich in den unterschiedlichen Zugei-genspannungen an der Oberfläche und in der oberflächennahen Randschicht. Zudem be-wirkt eine zunehmende Anzahl an Schneiden eine Verschiebung der Zugeigenspannung hin zu tieferen Bauteiltiefen.

Mit dem Modell wird eine Methode zur Vor-hersage des Bauteilzustands für Fertigungs-prozesse mit vielschneidigen Werkzeugen ent-wickelt.

DFG-Schwerpunktprogramm 1476 – „Kleine Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke“ (SPP 1476):

Mikrozerspanungsmaschinen sind häufig aus der Makrowelt abgeleitete Derivate und aus bekann-ten Komponenten und Kinematiken aufgebaut. Daher weisen sie, bezogen auf die auf ihnen her-gestellten kleinen Werkstücke, einen hohen Res-sourcenverbrauch bei der Herstellung der Maschi-ne und einen hohen Energiebedarf im Betrieb auf. So erfordern diese Maschinen beispielsweise eine große Aufstellfläche sowie hohe Antriebsleistun-gen aufgrund der hohen bewegten Massen. Des-wegen sollen im SPP 1476 speziell für den Mikro-bereich angepasste, wandlungsfähige Werkzeug- maschinen entwickelt werden, die durch eine gesteigerte Funktionsintegration den Einsatz neu-er kinematischer Ketten und durch Miniaturisie-rung die ökonomischen und ökologischen Nach-teile überwinden.

Projekte am Karlsruher Institut für Technologie:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden drei Projekte am KIT bearbeitet, die das Ziel haben, ein funktional hochintegriertes kompaktes und präzi-ses Vorschubmodul zu entwickeln. Dieses Vor-schubmodul besteht aus einer Parallelkinematik (Institut für Technische Mechanik), einem Mess-system mit Millimeterwellen Radar- Sensorik (Ins-titut für Hochfrequenztechnik und Elektronik) und zwei Piezo-Hydraulischen Vorschubachsen (wbk).

Piezo-Hydraulische Vorschubachse:

Die Piezo-Hydraulische Vorschubachse des wbk besteht aus einem feststehenden Kolben und ei-nem beweglichen Kolbengehäuse, an welchem außen hydrostatisch-prismatische Führungen mit sehr guten Dämpfungseigenschaften angebracht

sind. Die Piezo-Regelventile sollen aufgrund der angestrebten Dynamik direkt in die feststehende Kolbenstange integriert werden, um stehende Öl-Säulen zu reduzieren. Die Vorschubachse ist in ei-nem Funktionsprototyp umgesetzt und soll im weiteren Projektverlauf messtechnisch charakte-risiert werden. Aufbauend auf den Messergebnis-sen, folgt ein Abgleich mit den erstellten Simulink Simulationsmodellen. Abschließend folgt eine Bauraumoptimierung. Parallel hierzu wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Entwicklung miniaturi-sierter mechatronischer Komponenten abgeleitet, der auf Basis bestehender Methoden weiter erar-beitet sowie anhand der gewonnenen Ergebnisse qualifiziert und quantifiziert werden soll.

Piezo-Hydraulische Vorschubachse

Die Schlüsselkomponente einer Gasturbine sind die sogenannten Turbinenscheiben, an welche im Verdichter die Flügel zur Kompression und in der Turbine die Schaufeln zur Nutzung der Energie des expandierenden Gases angebracht sind. Die Bearbeitung dieser sogenannten Tannenbaum- bzw. Schwalbenschwanzprofile findet durch das Räumen mit HSS-Werkzeugen statt. Um die Pro-duktivität und die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge zu erhöhen, entwickelt das wbk zu-sammen mit der Firma Hoffmann Räumtechnik aus Pforzheim ein neues Werkzeugkonzept, wel-ches aus Werkzeugen mit Hartmetall-Wende-schneidplatten besteht. Das Hauptziel dieses Pro-jekts liegt darin, die prozessbestimmenden Parameter zu untersuchen, um die Räumtechno-logie zur Fertigung der Turbinenscheiben zu opti-mieren.

Vorteile des Werkzeugkonzepts

Durch dieses neue Werkzeugkonzept sollen deut-lich höhere Standwege erzielt werden, als dies bisher mit HSS-Werkzeugen der Fall war. Hierbei ist auf geeignete Prozessparameter und eine aus-reichende Festigkeit und Zähigkeit des Substrats zu achten, da das spröde Hartmetall im Vergleich zum HSS deutlich stärker zum Ausbrechen einzel-ner Schneidkantenbereiche neigt. Das neue Werk-zeugkonzept ermöglicht außerdem bei Erreichen

der Verschleißgrenze oder einem Schneidkanten-bruch ein einfaches Tauschen der Schneiden, da diese auf einen Werkzeugträger aufgeschraubt sind. Durch die deutlich höhere Leistungsfähig-keit des Hartmetalls im Vergleich zu den HSS-Werkzeugen können auch wesentlich höhere Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten gefah-ren werden, was zu einer deutlichen höheren Produktivität führt.

Experimentelle Untersuchungen

Um die Auswirkungen der relevanten Prozessgrö-ßen auf den Räumprozess zu untersuchen, wird eine Reihe von Parametern variiert. Als wichtigste Einflussgrößen haben sich neben der Spannungs-dicke und der Schnittgeschwindigkeit das Subst-rat und die Beschichtung der Wendeschneidplatte sowie die Mikrogeometrie der Schneidkante her-ausgestellt. Diese Größen wurden im Hinblick auf die Standzeit, Schnittkräfte und Oberflächenqua-lität untersucht. Nach mehreren Optimierungs-stufen konnte gezeigt werden, dass dieses Werk-zeugkonzept deutliche Steigerungen bei der Verschleißbeständigkeit und der Bearbeitungszeit ermöglicht. Die Standzeit im Vergleich zu den HSS-Werkzeugen konnten um den Faktor 6, die Schnittgeschwindigkeit um den Faktor 3 und der Vorschub um den Faktor 5 gesteigert werden.

Räumen von Scheiben aus Turbinenstahl mit Hartmetall-Wendeschneidplatten

Räumen von Scheiben aus Turbinenstahl • Piezo-Hydraulische Vorschubachse Systemlösungen für ressourceneffiziente Kugelgewindetriebe

Abbildung 2: Einfluss der Mehrfachspanbildung

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Julius OsterriedTelefon: 0721/608-45906E-Mail: julius.osterried@kit.edu

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Daniel BertschTelefon: 0721/608-42447E-Mail: daniel.bertsch@kit.edu

Abbildung 1: Turbinenräummaschine [Foto: Hoffmann Räumtechnik GmbH]

Abbildung 1: Funktionsprototyp der Vorschubachse

Abbildung 2: Piezo-Hydraulische Vorschubachse

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Jörg BauerTelefon: 0721/608-46019E-Mail: joerg.bauer@kit.edu

Simulation der sequentiellen Zerspanung

Simulation der sequentiellen Zerspanung

Abbildung 1: Sequentielle Zerspanungssimulation

Kugelgewindetriebe zählen als Maschinenele-ment zu den Wälzschraubtrieben mit Kugelnals Wälzkörpern. Eine Hauptanwendung der Kugelgewindetriebe sind Werkzeugmaschi-nen, in denen Werkstück- bzw. Werkzeugträ-ger positioniert werden. Gründe, die im Be-trieb für den Einsatz von Kugelgewindetrieben sprechen, sind der sehr hohe Wirkungsgrad (> 90 %), die gut beherrschbare spielfreie Einstel-lung, die geringe Erwärmung sowie die gerin-gen Längenänderungen bei Erwärmung. Ob-wohl der geringe Verschleiß grundsätzlich als Vorteil gilt, ist festzustellen, dass Ausfälle in-folge von defekten Maschinenachsen oft hohe Ausfallzeiten und -kosten der Maschine nach sich ziehen. Erfahrungen und Anmerkungen in aktuell laufenden Forschungsprojekten mit In-dustriepartnern zeigen, dass eine leistungsfä-hige Zustandsdiagnose und -prognose der Ku-gelgewindetriebe sowohl aufseiten der Komponentenhersteller als auch der Anwen-der als dringend erforderlich angesehen wer-den. Dieser Bedarf begründet sich insbesonde-re in den hohen Ausfallkosten infolge des Austauschs eines Kugelgewindetriebs bei ei-nem reaktiven Instandhaltungseinsatz.

Inline-Messtechnik zur Zustandsdiagnose und –prognose von Kugelgewindetrieben,Getrieben und Lagern (INDIKU)

Im INDIKU Projekt wird die Zustandsüberwa-chung (Condition Monitoring) von Kugelge-winde- und anderen Getrieben untersucht. Durch die Auswertung und Fusion von Körper-schall-, Motorstrom- sowie eventuell weiteren Daten soll der aktuelle Zustand – insbesonde-re im Sinne der verbleibenden Lebensdauer der Komponenten – prognostiziert werden. Diese Prognose kann dann zur Optimierung

von Wartungszyklen und Vermeidung von Reparaturen einge-setzt werden. Auf der einen Seite sollen hierzu die vorhande-nen eigenen Vorarbei-ten im Bereich der Zu-standsprognosealgo-rithmen optimiert und um verschiedene As-pekte erweitert wer-den. Auf der anderen Seite soll eine entspre-chende Messeinheit neu entwickelt wer-den, mit der die draht-lose Aufnahme und Verarbeitung der ent-sprechenden Daten möglich ist. Durch die drahtlose Ausführung soll diese Einheit eine Installation in Werk-zeugmaschinen mit beweglichen Teilen sowie auch eine einfache nachträgliche Installation

in bereits im Betrieb befindliche Anlagen er-möglichen. Im aktuellen Stand der Technik wird im angestrebten Bereich bisher kein Con-dition Monitoring eingesetzt und eine entspre-chende Einheit ist am Markt nicht erhältlich. Somit ist eine komplette Neuentwicklung nö-tig, die einen vergleichsweise großen Aufwand darstellt.

Im Projekt ist es daher das Ziel, durch die Ko-operation eines Systemanbieters (Elovis) mit zwei Instituten am KIT (wbk, ITIV) sowie Part-

nern auf der Anwenderseite (elumatec, DESCH) gemeinsam eine entsprechende Lösung aus-zuarbeiten. In Abbildung 1 ist der bisherige Prototyp des Prognosetools dargestellt.

Adaptronischer KGT

Eine weitere Aktivität im Bereich der Kugel-gewindetriebe stellt der neuartige adaptroni-sche Kugelgewindetrieb dar. Verschleißbe-dingt lässt die Vorspannung eines KGT über die Einsatzdauer in Werkzeugmaschinen er-heblich nach, was Maschinenachsen unter anderem zum Schwingen anregen und somit das Bearbeitungsergebnis deutlich herabset-zen kann. Hierzu werden derzeit am wbk ak-tive Kompensationssysteme erarbeitet, die auf Basis piezoelektrischer Wandler die KGT-Vorspannung nachregeln. Um diese Systeme möglichst kosten- und bauraumeffizient aus-zuführen, werden piezoelektrische Self-sen-sing-Aktoren eingesetzt, die zeitsimultan so-wohl sensorische als auch aktorische Auf- gaben in einer Komponente erfüllen können. Um auch langsam voranschreitend Ver-schleißerscheinungen aufnehmen zu können, wird bei den neuartigen Self-sensing-Aktoren die Veränderung des elektrischen Wandler-leitwerts unter aktorischem Einfluss genutzt. Das dazu erforderliche mechanische und elektronische Verständnis für die Wandler soll in dem in Abbildung 2 dargestellten Ver-suchsstand erforscht und die optimalen Be-triebsparameter abgeleitet werden.

Systemlösungen für ressourceneffiziente Kugelgewindetriebe

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Stefan HerderTelefon: 0721/608-42449E-Mail: stefan.herder@kit.edu

Dipl.-Ing. Heiko HennrichTelefon: 0721/608-46022E-Mail: heiko.hennrich@kit.edu

Abbildung 1: Prototyp Prognosetool

Abbildung 2: Adaptronischer KGT

Referenz Messsystem

Feststehendes Gehäuse der Vorschubachse

Bewegliches Kolbengehäuse

Hydrostatische Führung Drucktaschen (Prisma)

Ventiltechnik (Piezo-Proportional-Sitzventile)

Integriertes Messsystem

Feststehende Kolbenstange

Kolbendeckel

Topics_2_2011_v9.indd 2 29.11.11 11:11

bung biegeschlaffer Bauteile, mögliche Fügever-fahren, die eine Reparatur der Batterie ermögli-chen, und auf das umfassende Feld der Mess- und Prüftechnik.

Den nächsten Tagungsblock eröffnete Herr Dem-pewolf von der Wittenstein cyber motor GmbH mit einer detaillierten Diskussion der Design-möglichkeiten von permanenterregten Syn-chronmaschinen im Hinblick auf deren Einsatz im automobilen Antriebsstrang. Herr Wojtynia von der Aumann GmbH stellte anschließend die Herausforderungen der Wickeltechnik als zentra-len Schritt der Elektromotorenproduktion vor und verdeutlichte die Vorteile einer Direktbe-wicklung im Vergleich zu den zurzeit üblichen Einziehwicklungen. Mit einem detaillierten Ein-blick in die Prozesskette zur Produktion von Elektromotoren in einer Manufaktur schloss Herr Dr. Kohnhäuser von der BMW Group die Vor-tragsreihe ab. In der abschließenden Diskussion ergab sich der breite Konsens, dass die benötig-ten Innovationen in der Produktionstechnik nicht von einzelnen Firmen erbracht werden können. Vielmehr sind in dieser Aufbruchsphase branchenübergreifende Kooperationen sowohl zwischen den verschiedenen Industrien als auch zwischen Industrie und Forschung entlang der Wertschöpfungskette nötig, um die vielgestalti-gen Herausforderungen in dem Feld der Produk-tion zu bewältigen. Als Folge wird dies zu einer Umstrukturierung der bestehenden Wertschöp-fungskette führen und bietet somit neue Chan-cen, aber auch Risiken für die beteiligten Zulie-ferindustrien.

Dipl.-Wi.-Ing.Nicole StrickerTätigkeitsfeld: Life-Cycle-Perfor-mance, Zuverlässigkeitsanalyse, RisikomanagementEintrittstermin: 01.10.2011

Dipl.-Ing.Philipp HoppenTätigkeitsfeld: Mikro-FräsenEintrittstermin: 01.09.2011

Dipl.-Ing.Frederic FörsterTätigkeitsfeld: Leichtbaufer-tigung, Prozessverkettung, Maschinen- & Handhabungs-konzepteEintrittstermin: 15.09.2011

M.Sc.Stefan KlotzTätigkeitsfeld: Mechanische Bearbeitung von Composit-werkstoffenEintrittstermin: 15.10.2011

Liebe Freunde und Partner des wbk,

am Ende des Jahres 2011 wenden wir uns wieder an Sie. Vor einigen Tagen konnten wir bei unserer sehr gut besuchten wbk-Herbsttagung einige von Ihnen persönlich begrüßen. Thema waren diesmal „Produktionstechnische Herausforderungen der Elektromobilität“. Dazu konnten wir mit der tradi-tionell guten Mischung aus externen und inter-nen Beiträgen einen guten Überblick über die aktuellen Themen in der Batteriefertigung und der Produktion von Elektromotoren bieten und zugleich die Diskussion zu diesen für uns alle wichtigen Zukunftsthemen voranbringen. Details

hierzu fi nden Sie in einem unserer Beiträge. Dane-ben haben wir Ihnen weitere aktuelle Themen aus dem Institut zusammengestellt, die die große Bandbreite unserer Aktivitäten zeigen. Um nur einen Aspekt herauszugreifen, sei auf einen Bei-trag zum Räumen hingewiesen. Hier sind wir ak-tuell dabei, die klassischen, in der Aufbereitung sehr aufwändigen Räumnadeln durch gebaute, mit Hartmetallwendeschneidplatten bestückte Werkzeuge zu ersetzen und haben dabei große Erfolge in der Produktivität bei der Räumbearbei-tung von Turbinenstahl erzielt. Wir bedanken uns bei Ihnen recht herzlich für das uns entgegengebrachte Vertrauen und versichern

Ihnen, dass wir Ihnen auch in 2012 ein ver-lässlicher Partner sein werden. Ihnen und Ih-ren Familien wünschen wir frohe Weihnachten und ein gesundes und erfolgreiches Jahr 2012.

Viel Freude bei der Lektüre unserer Topics wünscht Ihnen

Ihr wbk-Team

Die wbk-Herbsttagung hat sich als wichtigste jährliche Veranstaltung am wbk etabliert. Dieses Jahr fand sie am 27. Oktober 2011 zum Thema „Produktionstechnische Herausforderungen der Elektromobilität“ statt. Hintergrund für die The-menwahl ist der Wandel in der Mobilität von rein auf Verbrennung basierten Antriebskonzepten hin zu vollelektrischen Fahrzeugen und den da-mit verbundenen Speichertechnologien. Nach einer Einführung in die politischen Rahmenbe-dingungen, wie in die High-Tech-Strategie der Bundesregierung und deren beratende Gremien, durch Frau Prof. Lanza zeigte Herr Dr. Steegmül-ler von der PWT der Daimler AG die Schwierig-keiten der Produktionsforschung auf, indem er die verschiedenen Interessen der Produkt- und Produktionsentwickler in der Hinführung zu ei-ner Serienproduktion darstellte. Das Dilemma der Entwicklung einer Produktionstechnik für unreife Produkte war das Leitthema des Vortrags von Herr Prof. Fleischer. Er legte dar, dass neben der technischen Weiterentwicklung nur durch

Editorial

Herbsttagung

FunkProMikro • Mehrfachspanbildungssimulation • Turbinenräumen • Hydraulische Vorschubachse • KGT • LCP-Betreiberkreis • Shopfl oor-Management • Herbsttagung

Herbsttagung

Neueinstellungen

Promotionen Impressum

wbkInstitut für ProduktionstechnikKarlsruher Institut für Technologie (KIT)Kaiserstr. 12 | 76131 Karlsruhewww.wbk.kit.edu

Redaktion:Andrea Hepfer

Layout:Atelier NardoErsteiner Straße 27 | 68229 Mannheim

Druck:Druckerei SchindlerHertzstraße 10 | 69126 Heidelberg

Betreiberkreis TCO – Partnerschaftlich gestalten • Shopfl oor-Management

engste Integration von Produkt- und Fertigungs-prozessentwicklern ein mit dem herkömmlichen Antriebsstrang vergleichbares Kostenziel er-reicht werden kann.

Die anschließenden Vorträge von Frau Ruprecht vom wbk und Herrn Major von Harro Höfl iger Verpackungsmaschinen zeigten auf, wie techni-sche Lösungen aus ähnlichen Anwendungsge-bieten, so z. B. in der Herstellung von organi-scher Elektronik im Rahmen des EU-Forschungs-projekts Multilayer oder aus dem Feld der Verpackungstechnik, für die Zellproduktion ad-aptiert werden können. Aktuelle Probleme aus der Batteriemontage stellte Herr Dr. Schurer von der Dürr Systems GmbH vor. Neben der Heraus-forderung von fl exiblen Sicherheitskonzepten für die unterschiedlichen Spannungslevel wurden die Grenzen einer auf Roboter basierten Auto-matisierung der einzelnen Montageprozesse dis-kutiert. Die technischen Problemstellungen in diesem Bereich fokussieren sich auf die Handha-

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bung biegeschlaffer Bauteile, mögliche Fügever-fahren, die eine Reparatur der Batterie ermögli-chen, und auf das umfassende Feld der Mess- und

Den nächsten Tagungsblock eröffnete Herr Dem-pewolf von der Wittenstein cyber motor GmbH mit einer detaillierten Diskussion der Design-möglichkeiten von permanenterregten Syn-chronmaschinen im Hinblick auf deren Einsatz

Karlsruher Institut für Technologie

Dr.-Ing. Benjamin Viering„Mikroverzahnungsnormal - eine Methode zur experimentellen Ermittlung der Messunsicher-heit bei Mikroverzahnungen“

Dr.-Ing. Martin Weis„Kompensation systematischer Fehler bei Werk-zeugmaschinen durch self-sensing Aktoren“

Abbildung 1: wbk-Herbsttagung

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Florian Sell-Le BlancTelefon: 0721/608-44014E-Mail: fl orian.sell@kit.edu

Dipl.-Wi.-Ing. Anna SauerTelefon: 0721/608-44297E-Mail: anna.sauer@kit.edu

Die weltweite Wettbewerbsverschärfung zwingt die Unternehmen, ihre Produktivität kontinuierlich zu steigern. Lösungen hierfür stellen die Methoden eines ganzheitlichen Pro-duktionssystems, speziell die Organisation und Standardisierung der Abläufe in der Produktion (Shopfl oor), zur Verfügung.

Erarbeitung und Implementierung eines Shopfl oor-Management Konzepts bei TI Automotive

In einer gemeinschaftlichen Projektarbeit von TI Automotive in Heidelberg und dem wbk wurde zur Erweiterung des ganzheitlichen TI Produktionssystems (TIPS) ein Shopfl oor-Ma-nagement Konzept entwickelt, mit dem Ziel, die Qualität und Produktivität in der Produkti-on zu steigern. Das Shopfl oor-Management Konzept beinhaltet dabei folgende Ansätze: • Gestaltung einer Shopfl oor-Tafel• Aufbau einer regelmäßigen Standardkom-

munikation• Entwicklung eines standardisierten Problem-

lösungsprozesess• Einbindung des Shopfl oor-Management

Konzepts in die tägliche Arbeit

Die Shopfl oor-Tafel ist das Zentrum des Shopfl oor-Management Konzepts. Neun Kenn-zahlenfelder stellen die Informationen aus der Produktion für alle Beteiligten bereit. Mithilfe einer durchgehenden Ampelsystematik wird der aktuelle Produktionstrend der vergange-nen Schichten visualisiert und somit ein schnel-les und gezieltes Eingreifen in die Produktions-abläufe ermöglicht.

Für die tägliche Standardkommunikation werden Treffen der verschiedenen Produkti-onsbereiche an der Shopfl oor-Tafel festgelegt, in welchen die Analyse des Vortags anhand von Kennzahlen, wie Stillstandzeiten oder Aus-schuss, vorgenommen wird. Die Gruppe, beste-hend aus Linienmanager, Anlagenführer und Produktionsleitung, identifi ziert das wichtigste Problem und legt Maßnahmen zur Problemlö-sung fest. Zum Abschluss wird die erfolgreiche Problemlösung des Vortags besprochen. Der entwickelte Problemlösungsprozess hilft TI Au-tomotive, Probleme genau zu analysieren und die Lösung als neuen Standard festzulegen. Die Ergebnisse des Teams werden auf dem Er-gebnisblatt übersichtlich zusammengefasst und an der Shopfl oor-Tafel visualisiert. So ist

die Weitergabe der Informationen nach der Problemlösung gesichert.

Das kontinuierliche Lösen von Problemen steigert die Qualität und reduziert die KostenMittels einer zweistufi gen Schulung zusammen mit den Linienmanagern wurde das Shopfl oor-Management Konzept in der Rohrfertigung von TI Automotive am Standort Heidelberg einge-führt. Die erste Schulung vermittelte hauptsäch-lich das standardisierte Vorgehen zur Problemlö-sung, die Zweite das Thema Regelkommunikation durch Shopfl oorrunden. Aufgrund der messba-ren Erfolge wird das Shopfl oor-Management Konzept nun auch in den nachfolgenden Ferti-gungsschritten, der Coextrusion und der Alumi-nisierung, in Heidelberg zusammen mit dem wbk eingeführt. Der Standort des TI Konzerns in Heidelberg dient darüber hinaus als Leitwerk und Vorbild für das TI-Produktionssystem – TIPS.

Shopfl oor-Management bei einem Automobilzulieferer

sich aus namhaften Firmen der Automobilindu-strie zusammen, die sich schon langjährig mit der Thematik der Lebenszykluskostenbetrach-tung eingesetzter Maschinen und Anlagen be-fassen. Zu den Teilnehmern gehören die Bosch Rexroth AG, die ZF Friedrichshafen AG, die MAN Gruppe und neuerdings auch Deere & Company.

Aktuelle Ergebnisse

Erst kürzlich wurden in einem Treffen mit Her-stellern die aktuellen Herausforderungen und Handlungsbedarfe zur TCO-Thematik erarbei-tet. In diesem Rahmen wurden innerhalb eines Workshops die bilateralen Sichtweisen von Hersteller und Betreiber einander gegenüber-gestellt, wobei sich abzeichnete, dass sich die Zielvorstellungen für die Umsetzung und An-wendung der zukünftigen TCO-Konzepte in großen Bereichen decken. Die größten Heraus-forderungen liegen in der praktikablen Akquise der benötigten Daten und der daraus abgelei-teten belastbaren Prognose der Verfügbar-keitsaussagen mittels der Integration von La-steinfl üssen. Dies lässt sich nur durch eine partnerschaftliche Zusammenarbeit erreichen, um gleichzeitig eine Win-Win-Situation für bei-de Vertragspartner herzustellen. Den skizzier-ten Herausforderungen wird sich der Arbeits-kreis in Zukunft annehmen und mögliche Lösungen erarbeiten.

Um die Investitionsentscheidung bezüglich Maschinen und Anlagen bei produzierenden Unternehmen möglichst transparent und be-lastbar zu gestalten, werden verstärkt Lebens-zyklusmodelle in den Entscheidungsprozess mit eingebunden. Ziel dieser Konzepte ist es, bereits in der Beschaffungsphase Betriebs- und Instandhaltungskosten mit ins Kalkül zu zie-hen. Gerade im Maschinen- und Anlagenbau mit den üblichen Lebenszyklen von bis zu 30 Jahren spielen die Folgekosten nach erfolgter Anschaffung eine immense Rolle. Die Folgekos-ten können sich dabei auf das Drei- bis Vierfa-che der Anschaffungskosten belaufen. Zuneh-mend werden in der Praxis TCO-Modelle (Total Cost of Ownership) in der Praxis eingesetzt, die schon bei Vertragsabschluss Verfügbarkeitsga-

Betreiberkreis TCO – Partnerschaftlich gestalten

Ansprechpartner:Dipl.-Wi.-Ing. Dominic AppelTelefon: 0721/608-44153E-Mail: dominic.appel@kit.edu

rantien beinhalten und durch kooperative Be-ziehungen zwischen Hersteller und Betreiber beidseitig Vorteile generieren sollen. Zur pra-xisnahen Gestaltung und Verbesserung der TCO Konzepte wurde dazu ein Arbeitskreis aus der Industrie heraus gegründet.

HistorieDer „Betreiberkreis TCO“, ein Arbeitskreis zum Thema „Total Cost of Ownership“, wurde ausder Projektarbeit verschiedener Industriepart-ner heraus zusammen mit dem wbk im Jahr 2008 erstmalig einberufen. Initiiert und koordi-niert durch das wbk, fi nden regelmäßige Tref-fen zum themenbezogenen Austausch und zur gezielten Bearbeitung von Fragestellungen zum Thema TCO statt. Der Kreis selbst setzt

Abbildung 1: TCO - Workshop am 14.10.2011 bei der ZF Friedrichshafen AG

Bearbeitungszentrum

Im Rahmen des Verbundprojekts „FunkPro-Mikro“ wurden dem wbk – Institut für Pro-duktionstechnik vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Investitions-mittel für ein 5-Achs- Bearbeitungszentrum der Baureihe NBH630 5X von MAG Hüller Hil-le zur Verfügung gestellt. Diese Werkzeugma-schine ermöglicht die Komplettbearbeitung komplexer Werkstücke und führt somit in ei-ner Aufspannung zu hoher Präzision und Ge-nauigkeit bei niedrigen Kosten.

Für die Bearbeitung komplexer Werkstücke, zum Beispiel bei der Mehrseitenbearbeitung, wird ein Schwenkkopf eingesetzt, welcher di-rekt angetrieben wird und mit einer zusätzli-chen Drehachse, in diesem Fall als Drehtisch ausgeführt, eine simultane 5-Achs-Bearbei-tung ermöglicht. Dies macht das Bearbei-tungszentrum zu einer Allzweckmaschine, um verschiedenste Prozesse im universitären For-schungsumfeld zu untersuchen.

Laserintegration

Zusätzlich zum Aufbau, der bereits vielfältige Be-arbeitungsprozesse ermöglicht, soll in die Werk-zeugmaschine ein Laser integriert werden. Dieser gepulste Laser mit einer besonders kurzen Puls-

dauer im Pikosekundenbereich ermöglicht die Strukturierung von Bauteilen mit einem deutlich geringeren Wärmeeintrag als übliche Lasersyste-me. Damit lassen sich kleinste Strukturen mit Abmessungen von bis zu 10µm erzeugen. Durch die Laserintegration in das Bearbeitungszentrum wird die Möglichkeit geschaffen, große Bauteile mechanisch zu bearbeiten und anschließend klei-ne Strukturen ohne größere Schädigung auf die Oberfl äche zu bringen, um die Funktionalität zu optimieren. Anwendungsbeispiele sind die Bear-beitung und Strukturierung von Kfz-Kurbelwel-lenzapfen, die mit entsprechender Oberfl ächen-strukturierung im Kurbelwellenlager zu geringer Reibung führen. Im Hinblick auf die zunehmende Belastung der Lager im Betrieb, z. B. bei einer Start-Stopp-Automatik, ist es somit möglich, den Verschleiß ohne Auswahl einer neuen Material-paarung zu verringern.

Fertigung von großen Bauteilen mit kleinen Strukturen

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Mateusz ChlipalaTelefon: 0721/608-45290E-Mail: mateusz.chlipala@kit.edu

Schwenkkopf im Arbeitsraum der NBH 630 [Quelle: MAG]

Ansprechpartner:Dipl.-Wirtsch.-Ing. Benjamin BehmannTelefon: 0721/608-46166E-Mail: benjamin.behmann@kit.edu

Topics_2_2011_v9.indd 1 29.11.11 11:10

bung biegeschlaffer Bauteile, mögliche Fügever-fahren, die eine Reparatur der Batterie ermögli-chen, und auf das umfassende Feld der Mess- und Prüftechnik.

Den nächsten Tagungsblock eröffnete Herr Dem-pewolf von der Wittenstein cyber motor GmbH mit einer detaillierten Diskussion der Design-möglichkeiten von permanenterregten Syn-chronmaschinen im Hinblick auf deren Einsatz im automobilen Antriebsstrang. Herr Wojtynia von der Aumann GmbH stellte anschließend die Herausforderungen der Wickeltechnik als zentra-len Schritt der Elektromotorenproduktion vor und verdeutlichte die Vorteile einer Direktbe-wicklung im Vergleich zu den zurzeit üblichen Einziehwicklungen. Mit einem detaillierten Ein-blick in die Prozesskette zur Produktion von Elektromotoren in einer Manufaktur schloss Herr Dr. Kohnhäuser von der BMW Group die Vor-tragsreihe ab. In der abschließenden Diskussion ergab sich der breite Konsens, dass die benötig-ten Innovationen in der Produktionstechnik nicht von einzelnen Firmen erbracht werden können. Vielmehr sind in dieser Aufbruchsphase branchenübergreifende Kooperationen sowohl zwischen den verschiedenen Industrien als auch zwischen Industrie und Forschung entlang der Wertschöpfungskette nötig, um die vielgestalti-gen Herausforderungen in dem Feld der Produk-tion zu bewältigen. Als Folge wird dies zu einer Umstrukturierung der bestehenden Wertschöp-fungskette führen und bietet somit neue Chan-cen, aber auch Risiken für die beteiligten Zulie-ferindustrien.

Dipl.-Wi.-Ing.Nicole StrickerTätigkeitsfeld: Life-Cycle-Perfor-mance, Zuverlässigkeitsanalyse, RisikomanagementEintrittstermin: 01.10.2011

Dipl.-Ing.Philipp HoppenTätigkeitsfeld: Mikro-FräsenEintrittstermin: 01.09.2011

Dipl.-Ing.Frederic FörsterTätigkeitsfeld: Leichtbaufer-tigung, Prozessverkettung, Maschinen- & Handhabungs-konzepteEintrittstermin: 15.09.2011

M.Sc.Stefan KlotzTätigkeitsfeld: Mechanische Bearbeitung von Composit-werkstoffenEintrittstermin: 15.10.2011

Liebe Freunde und Partner des wbk,

am Ende des Jahres 2011 wenden wir uns wieder an Sie. Vor einigen Tagen konnten wir bei unserer sehr gut besuchten wbk-Herbsttagung einige von Ihnen persönlich begrüßen. Thema waren diesmal „Produktionstechnische Herausforderungen der Elektromobilität“. Dazu konnten wir mit der tradi-tionell guten Mischung aus externen und inter-nen Beiträgen einen guten Überblick über die aktuellen Themen in der Batteriefertigung und der Produktion von Elektromotoren bieten und zugleich die Diskussion zu diesen für uns alle wichtigen Zukunftsthemen voranbringen. Details

hierzu fi nden Sie in einem unserer Beiträge. Dane-ben haben wir Ihnen weitere aktuelle Themen aus dem Institut zusammengestellt, die die große Bandbreite unserer Aktivitäten zeigen. Um nur einen Aspekt herauszugreifen, sei auf einen Bei-trag zum Räumen hingewiesen. Hier sind wir ak-tuell dabei, die klassischen, in der Aufbereitung sehr aufwändigen Räumnadeln durch gebaute, mit Hartmetallwendeschneidplatten bestückte Werkzeuge zu ersetzen und haben dabei große Erfolge in der Produktivität bei der Räumbearbei-tung von Turbinenstahl erzielt. Wir bedanken uns bei Ihnen recht herzlich für das uns entgegengebrachte Vertrauen und versichern

Ihnen, dass wir Ihnen auch in 2012 ein ver-lässlicher Partner sein werden. Ihnen und Ih-ren Familien wünschen wir frohe Weihnachten und ein gesundes und erfolgreiches Jahr 2012.

Viel Freude bei der Lektüre unserer Topics wünscht Ihnen

Ihr wbk-Team

Die wbk-Herbsttagung hat sich als wichtigste jährliche Veranstaltung am wbk etabliert. Dieses Jahr fand sie am 27. Oktober 2011 zum Thema „Produktionstechnische Herausforderungen der Elektromobilität“ statt. Hintergrund für die The-menwahl ist der Wandel in der Mobilität von rein auf Verbrennung basierten Antriebskonzepten hin zu vollelektrischen Fahrzeugen und den da-mit verbundenen Speichertechnologien. Nach einer Einführung in die politischen Rahmenbe-dingungen, wie in die High-Tech-Strategie der Bundesregierung und deren beratende Gremien, durch Frau Prof. Lanza zeigte Herr Dr. Steegmül-ler von der PWT der Daimler AG die Schwierig-keiten der Produktionsforschung auf, indem er die verschiedenen Interessen der Produkt- und Produktionsentwickler in der Hinführung zu ei-ner Serienproduktion darstellte. Das Dilemma der Entwicklung einer Produktionstechnik für unreife Produkte war das Leitthema des Vortrags von Herr Prof. Fleischer. Er legte dar, dass neben der technischen Weiterentwicklung nur durch

Editorial

Herbsttagung

FunkProMikro • Mehrfachspanbildungssimulation • Turbinenräumen • Hydraulische Vorschubachse • KGT • LCP-Betreiberkreis • Shopfl oor-Management • Herbsttagung

Herbsttagung

Neueinstellungen

Promotionen Impressum

wbkInstitut für ProduktionstechnikKarlsruher Institut für Technologie (KIT)Kaiserstr. 12 | 76131 Karlsruhewww.wbk.kit.edu

Redaktion:Andrea Hepfer

Layout:Atelier NardoErsteiner Straße 27 | 68229 Mannheim

Druck:Druckerei SchindlerHertzstraße 10 | 69126 Heidelberg

Betreiberkreis TCO – Partnerschaftlich gestalten • Shopfl oor-Management

engste Integration von Produkt- und Fertigungs-prozessentwicklern ein mit dem herkömmlichen Antriebsstrang vergleichbares Kostenziel er-reicht werden kann.

Die anschließenden Vorträge von Frau Ruprecht vom wbk und Herrn Major von Harro Höfl iger Verpackungsmaschinen zeigten auf, wie techni-sche Lösungen aus ähnlichen Anwendungsge-bieten, so z. B. in der Herstellung von organi-scher Elektronik im Rahmen des EU-Forschungs-projekts Multilayer oder aus dem Feld der Verpackungstechnik, für die Zellproduktion ad-aptiert werden können. Aktuelle Probleme aus der Batteriemontage stellte Herr Dr. Schurer von der Dürr Systems GmbH vor. Neben der Heraus-forderung von fl exiblen Sicherheitskonzepten für die unterschiedlichen Spannungslevel wurden die Grenzen einer auf Roboter basierten Auto-matisierung der einzelnen Montageprozesse dis-kutiert. Die technischen Problemstellungen in diesem Bereich fokussieren sich auf die Handha-

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bung biegeschlaffer Bauteile, mögliche Fügever-fahren, die eine Reparatur der Batterie ermögli-chen, und auf das umfassende Feld der Mess- und

Den nächsten Tagungsblock eröffnete Herr Dem-pewolf von der Wittenstein cyber motor GmbH mit einer detaillierten Diskussion der Design-möglichkeiten von permanenterregten Syn-chronmaschinen im Hinblick auf deren Einsatz

Karlsruher Institut für Technologie

Dr.-Ing. Benjamin Viering„Mikroverzahnungsnormal - eine Methode zur experimentellen Ermittlung der Messunsicher-heit bei Mikroverzahnungen“

Dr.-Ing. Martin Weis„Kompensation systematischer Fehler bei Werk-zeugmaschinen durch self-sensing Aktoren“

Abbildung 1: wbk-Herbsttagung

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Florian Sell-Le BlancTelefon: 0721/608-44014E-Mail: fl orian.sell@kit.edu

Dipl.-Wi.-Ing. Anna SauerTelefon: 0721/608-44297E-Mail: anna.sauer@kit.edu

Die weltweite Wettbewerbsverschärfung zwingt die Unternehmen, ihre Produktivität kontinuierlich zu steigern. Lösungen hierfür stellen die Methoden eines ganzheitlichen Pro-duktionssystems, speziell die Organisation und Standardisierung der Abläufe in der Produktion (Shopfl oor), zur Verfügung.

Erarbeitung und Implementierung eines Shopfl oor-Management Konzepts bei TI Automotive

In einer gemeinschaftlichen Projektarbeit von TI Automotive in Heidelberg und dem wbk wurde zur Erweiterung des ganzheitlichen TI Produktionssystems (TIPS) ein Shopfl oor-Ma-nagement Konzept entwickelt, mit dem Ziel, die Qualität und Produktivität in der Produkti-on zu steigern. Das Shopfl oor-Management Konzept beinhaltet dabei folgende Ansätze: • Gestaltung einer Shopfl oor-Tafel• Aufbau einer regelmäßigen Standardkom-

munikation• Entwicklung eines standardisierten Problem-

lösungsprozesess• Einbindung des Shopfl oor-Management

Konzepts in die tägliche Arbeit

Die Shopfl oor-Tafel ist das Zentrum des Shopfl oor-Management Konzepts. Neun Kenn-zahlenfelder stellen die Informationen aus der Produktion für alle Beteiligten bereit. Mithilfe einer durchgehenden Ampelsystematik wird der aktuelle Produktionstrend der vergange-nen Schichten visualisiert und somit ein schnel-les und gezieltes Eingreifen in die Produktions-abläufe ermöglicht.

Für die tägliche Standardkommunikation werden Treffen der verschiedenen Produkti-onsbereiche an der Shopfl oor-Tafel festgelegt, in welchen die Analyse des Vortags anhand von Kennzahlen, wie Stillstandzeiten oder Aus-schuss, vorgenommen wird. Die Gruppe, beste-hend aus Linienmanager, Anlagenführer und Produktionsleitung, identifi ziert das wichtigste Problem und legt Maßnahmen zur Problemlö-sung fest. Zum Abschluss wird die erfolgreiche Problemlösung des Vortags besprochen. Der entwickelte Problemlösungsprozess hilft TI Au-tomotive, Probleme genau zu analysieren und die Lösung als neuen Standard festzulegen. Die Ergebnisse des Teams werden auf dem Er-gebnisblatt übersichtlich zusammengefasst und an der Shopfl oor-Tafel visualisiert. So ist

die Weitergabe der Informationen nach der Problemlösung gesichert.

Das kontinuierliche Lösen von Problemen steigert die Qualität und reduziert die KostenMittels einer zweistufi gen Schulung zusammen mit den Linienmanagern wurde das Shopfl oor-Management Konzept in der Rohrfertigung von TI Automotive am Standort Heidelberg einge-führt. Die erste Schulung vermittelte hauptsäch-lich das standardisierte Vorgehen zur Problemlö-sung, die Zweite das Thema Regelkommunikation durch Shopfl oorrunden. Aufgrund der messba-ren Erfolge wird das Shopfl oor-Management Konzept nun auch in den nachfolgenden Ferti-gungsschritten, der Coextrusion und der Alumi-nisierung, in Heidelberg zusammen mit dem wbk eingeführt. Der Standort des TI Konzerns in Heidelberg dient darüber hinaus als Leitwerk und Vorbild für das TI-Produktionssystem – TIPS.

Shopfl oor-Management bei einem Automobilzulieferer

sich aus namhaften Firmen der Automobilindu-strie zusammen, die sich schon langjährig mit der Thematik der Lebenszykluskostenbetrach-tung eingesetzter Maschinen und Anlagen be-fassen. Zu den Teilnehmern gehören die Bosch Rexroth AG, die ZF Friedrichshafen AG, die MAN Gruppe und neuerdings auch Deere & Company.

Aktuelle Ergebnisse

Erst kürzlich wurden in einem Treffen mit Her-stellern die aktuellen Herausforderungen und Handlungsbedarfe zur TCO-Thematik erarbei-tet. In diesem Rahmen wurden innerhalb eines Workshops die bilateralen Sichtweisen von Hersteller und Betreiber einander gegenüber-gestellt, wobei sich abzeichnete, dass sich die Zielvorstellungen für die Umsetzung und An-wendung der zukünftigen TCO-Konzepte in großen Bereichen decken. Die größten Heraus-forderungen liegen in der praktikablen Akquise der benötigten Daten und der daraus abgelei-teten belastbaren Prognose der Verfügbar-keitsaussagen mittels der Integration von La-steinfl üssen. Dies lässt sich nur durch eine partnerschaftliche Zusammenarbeit erreichen, um gleichzeitig eine Win-Win-Situation für bei-de Vertragspartner herzustellen. Den skizzier-ten Herausforderungen wird sich der Arbeits-kreis in Zukunft annehmen und mögliche Lösungen erarbeiten.

Um die Investitionsentscheidung bezüglich Maschinen und Anlagen bei produzierenden Unternehmen möglichst transparent und be-lastbar zu gestalten, werden verstärkt Lebens-zyklusmodelle in den Entscheidungsprozess mit eingebunden. Ziel dieser Konzepte ist es, bereits in der Beschaffungsphase Betriebs- und Instandhaltungskosten mit ins Kalkül zu zie-hen. Gerade im Maschinen- und Anlagenbau mit den üblichen Lebenszyklen von bis zu 30 Jahren spielen die Folgekosten nach erfolgter Anschaffung eine immense Rolle. Die Folgekos-ten können sich dabei auf das Drei- bis Vierfa-che der Anschaffungskosten belaufen. Zuneh-mend werden in der Praxis TCO-Modelle (Total Cost of Ownership) in der Praxis eingesetzt, die schon bei Vertragsabschluss Verfügbarkeitsga-

Betreiberkreis TCO – Partnerschaftlich gestalten

Ansprechpartner:Dipl.-Wi.-Ing. Dominic AppelTelefon: 0721/608-44153E-Mail: dominic.appel@kit.edu

rantien beinhalten und durch kooperative Be-ziehungen zwischen Hersteller und Betreiber beidseitig Vorteile generieren sollen. Zur pra-xisnahen Gestaltung und Verbesserung der TCO Konzepte wurde dazu ein Arbeitskreis aus der Industrie heraus gegründet.

HistorieDer „Betreiberkreis TCO“, ein Arbeitskreis zum Thema „Total Cost of Ownership“, wurde ausder Projektarbeit verschiedener Industriepart-ner heraus zusammen mit dem wbk im Jahr 2008 erstmalig einberufen. Initiiert und koordi-niert durch das wbk, fi nden regelmäßige Tref-fen zum themenbezogenen Austausch und zur gezielten Bearbeitung von Fragestellungen zum Thema TCO statt. Der Kreis selbst setzt

Abbildung 1: TCO - Workshop am 14.10.2011 bei der ZF Friedrichshafen AG

Bearbeitungszentrum

Im Rahmen des Verbundprojekts „FunkPro-Mikro“ wurden dem wbk – Institut für Pro-duktionstechnik vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Investitions-mittel für ein 5-Achs- Bearbeitungszentrum der Baureihe NBH630 5X von MAG Hüller Hil-le zur Verfügung gestellt. Diese Werkzeugma-schine ermöglicht die Komplettbearbeitung komplexer Werkstücke und führt somit in ei-ner Aufspannung zu hoher Präzision und Ge-nauigkeit bei niedrigen Kosten.

Für die Bearbeitung komplexer Werkstücke, zum Beispiel bei der Mehrseitenbearbeitung, wird ein Schwenkkopf eingesetzt, welcher di-rekt angetrieben wird und mit einer zusätzli-chen Drehachse, in diesem Fall als Drehtisch ausgeführt, eine simultane 5-Achs-Bearbei-tung ermöglicht. Dies macht das Bearbei-tungszentrum zu einer Allzweckmaschine, um verschiedenste Prozesse im universitären For-schungsumfeld zu untersuchen.

Laserintegration

Zusätzlich zum Aufbau, der bereits vielfältige Be-arbeitungsprozesse ermöglicht, soll in die Werk-zeugmaschine ein Laser integriert werden. Dieser gepulste Laser mit einer besonders kurzen Puls-

dauer im Pikosekundenbereich ermöglicht die Strukturierung von Bauteilen mit einem deutlich geringeren Wärmeeintrag als übliche Lasersyste-me. Damit lassen sich kleinste Strukturen mit Abmessungen von bis zu 10µm erzeugen. Durch die Laserintegration in das Bearbeitungszentrum wird die Möglichkeit geschaffen, große Bauteile mechanisch zu bearbeiten und anschließend klei-ne Strukturen ohne größere Schädigung auf die Oberfl äche zu bringen, um die Funktionalität zu optimieren. Anwendungsbeispiele sind die Bear-beitung und Strukturierung von Kfz-Kurbelwel-lenzapfen, die mit entsprechender Oberfl ächen-strukturierung im Kurbelwellenlager zu geringer Reibung führen. Im Hinblick auf die zunehmende Belastung der Lager im Betrieb, z. B. bei einer Start-Stopp-Automatik, ist es somit möglich, den Verschleiß ohne Auswahl einer neuen Material-paarung zu verringern.

Fertigung von großen Bauteilen mit kleinen Strukturen

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Mateusz ChlipalaTelefon: 0721/608-45290E-Mail: mateusz.chlipala@kit.edu

Schwenkkopf im Arbeitsraum der NBH 630 [Quelle: MAG]

Ansprechpartner:Dipl.-Wirtsch.-Ing. Benjamin BehmannTelefon: 0721/608-46166E-Mail: benjamin.behmann@kit.edu

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